B 화력발전소의 굴뚝배출가스 거동과 독성 분석 = Dispersion Behavior and Toxicity Analysis of Stack Exhaust Gases from B Thermal Power Plant

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the past, Industrial chimneys were considered symbols of
Korea's economic growth, but recently became a major factor in
air pollution and fine dust in the environment.
In particular, as more and more high-rise residential dry m
rings are developed near industrial complexes, the existing risk
assessment due to horizontal exposure at a height of 2m above
the ground is insufficient to evaluate the stability of the
vertically expanded living environment. Therefore, this study was
conducted to analyze the three-dimensional diffusion behavior of
chimney exhaust gas in B thermal power plants, conduct an
integrated toxicity risk assessment that encompasses the surface
and the sky, and derive the best chimney design criterion.
In this study, by combining measured data and numerical
analysis, the three experiments were set up organically and
modeled step by step. First, the emission scenarios of sulfur
oxide （SO2） and nitrogen oxide （NO2） were compared and
analyzed using Gaussian and heavy gas models by using
ALOHA, a commercial diffusion model. As a result of the
analysis, it was confirmed that the existing Gaussian plane
analysis poses a risk of underestimating the surface risk as the
high-temperature and high-boiling gas does not sufficiently
reflect the gravitational sedimentation characteristics seen in the
initial stage of emission. The vertical concentration matrix model
introduced to compensate for this was introduced to
three-dimensionally visualize the toxicity distribution by elevation
according to the windfall distance, thereby discriminating vertical
risk zones and visualizing the behavioral form of toxic heavy
gas. As a result, it was found that the toxicity distribution in the
2m living area on the ground had no effect on the Gaussian
analysis, and it was found that it was excessive in the heavy
gas analysis.
Second, the PyroSim program was used to three-dimensionally
show the behavioral shape of the plume on the vertical
cross-section of the previous vertical matrix analysis. The
dispersion of the plume according to the formation height （100m,
250m, 350m, 500m） of the air safety layer was simulated. As a
result, it was observed that the stable layer formed on the upper
part of the chimney at a height of 150m suppressed the rising
buoyancy of harmful gases, thereby trapping pollutants in the
stable layer. In particular, the phenomenon that these gas clouds
combine with atmospheric turbulence and descend on the distant
surface or upper part of urban structures can be visually
expressed, suggesting that weather conditions are a major factor
in determining the three-dimensional diffusion path of pollutants.
Third, the chimney height was divided into 7 stages from 5m
to 150m, and multiple altitude detectors from 2m above the
ground to 250m above the ground were set to record the change
in concentration according to diffusion. As a result, it was found
that the height of the chimney that disappeared from the index
was 120m. In addition, by verifying by nonlinear regression
analysis, the coefficient of determination （R2） of the chimney
height-concentration control was lowered in the 250m detector,
indicating that the concentration was not related to the height of
the chimney. This indicates that when the chimney height
reaches 250m, the effect on the concentration in the vertical
space is not significant.
Summarizing the research results, it can be seen that the
Gaussian analysis or the heavy gas analysis of the ALOHA
program is not suitable for the review of the risk of high
chimney emissions, and the vertical matrix technique should be
used, and the stable layer of the atmosphere acts differently on
the surface toxicity of the chimney exhaust gas depending on its
location. In addition, securing a certain level of chimney height is
a good way to prevent exposure to surface toxicity, and
fundamental efforts to reduce emissions from sources are also
very necessary. The results of this study will be used as basic
data for the behavior of chimney exhaust gases and the new risk
assessment centered on the horizontal and vertical living areas.

국문 초록 (Abstract)

과거 우리나라 경제 성장의 상징으로 여겼던 산업용 굴뚝은 현재
환경에서 대기오염과 미세먼지의 주요 요인이 되고 있다.
특히 산업단지 인근에 고층 주거용 건무링 점점 더 많이 개발되면
서 지상 2m 높이의 수평 노출에 따른 기존 위험도 평가는 수직으로
확장된 생활환경의 안정성을 평가하기에 미흡한 실정이다. 이에 이
연구는 B 화력발전소를 대상으로 굴뚝 배출가스의 3차원 확산 거동
을 입체적으로 분석하고, 지표면과 상공을 아우르는 통합적 독성 위
해도 평가를 실시하고 최선의 굴뚝 설계 지표를 도출하고자 수행되
었다.
이 연구는 실측 데이터와 수치해석을 결합하여 세 가지 실험을 유
기적으로 설정하여 단계별로 모델링을 실시하였다. 첫째, 상용 확산
모델인 ALOHA를 활용하여 황산화물（SO2）과 질소산화물（NO2）의 배
출 시나리오를 가우시안 및 중질가스모델로 비교 분석하였다. 분석
결과, 기존의 가우시안 평면 해석은 고온·고비중 가스가 배출 초기
단계에서 보이는 중력 침강 특성을 충분히 반영하지 못해 지표면
위해성을 과소평가할 위험이 있음을 확인하였다. 이를 보완하기 위
해 도입한 수직 농도 매트릭스 모델은 풍하 거리에 따른 고도별 독
성 분포를 입체적으로 가시화함으로써, 수직적 위험 구역을 판별하
고 독성 중질가스의 거동형태를 가시화하였다. 그 결과 지상 2m 생
활권에서 독성 분포가 가우시안해석에서는 영향이 없는 것으로 나
타났으며 중질가스해석에서는 과도하게 나타나는 특징을 알 수 있
었다.
둘째, 앞서 실시한 수직메트릭스분석의 수직단면상 플룸의 거동형
태를 3차원적으로 보이기 위하여 PyroSim 프로그램을 이용하였다.
대기 안전층의 형성 높이（100m, 250m, 350m, 500m）에 따른 플룸의
분산모습을 모사하였다. 그 결과, 150m 높이의 굴뚝 상부에 형성된
안정층은 유해가스의 상승 부력을 억제하여 안정층 안에 오염물질
을 가두는 현상이 관찰되었다. 특히 이러한 가스운이 대기 난류와
결합하여 원거리 지표면이나 도심 구조물 상부로 내려오는 현상도
시각적으로 표현할 수 있었으며, 기상 조건이 오염물질의 입체적인
확산 경로를 결정짓는 주요 요인임을 시사한다.
셋째, 굴뚝 높이를 5m에서 150m까지 7단계로 나누어서 지상 2m
부터 상공 250m에 이르는 다중 고도 감지기를 설정하여 확산에 따
른 농도변화를 기록하였다. 이 결과 지표에 영향이 없어지는 굴뚝높
이가 120m라는 것을 알게 되었다. 또한 비선형 회귀분석으로 검증
하여 250m 감지기에서 굴뚝높이-농도 제어의 결정계수（R2）가 낮아
져, 농도가 굴뚝의 높이와 관련성이 적은 것으로 나타났다. 이는 굴
뚝 높이 250m에 이르면 수직공간에서 농도에 미치는 영향이 크지
않음을 나타내는 것이다.
연구 결과를 종합하면, ALOHA프로그램의 가우시안해석이나 중
질가스해석은 높은굴뚝의 배출가스위해성검토에는 적절하지 않으며
수직매트릭스 기법을 사용하여야 하며, 대기의 안정층은 그 위치에
따라 굴뚝배출가스의 지표독성에 다르게 작용함을 알 수 있다. 또한
일정 수준 이상의 굴뚝 높이를 확보하는 것은 지표면 독성 노출을
막는 좋은 방법이며, 함께 배출원으로부터 근본적인 배출량 저감 노
력이 매우 필요하다. 이 연구의 결과는 굴뚝배출가스의 거동과 수평
및 수직 생활권 중심의 새로운 위해성 평가에 기초 자료로 활용될
것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 3
• 3. 연구 방법 및 절차 4
• Ⅱ. 선행연구와 연구의 차별성 6
• 1. 대기 확산 모델링의 학술적 변천 6
• 2. 수치해석 및 고도별 확산 분석 8
• 3. 연구의 차별성 10
• Ⅲ. 이론적 고찰 12
• 1. 대기 확산 모델의 특성 12
• 2. 가우스 확산 모델 13
• 3. 수치해석 기반 거동 모사 17
• 4. 독성 위해도 평가 지표 18
• 5. 비선형 통계 분석 19
• Ⅳ. 연구모델 및 조건 20
• 1. 연구모델 구성 및 절차 20
• 2. 연구의 단계별 분석 목표 및 시나리오 21
• 3. 수치해석 모델링 개요 22
• 가. 해석 영역 및 그리드 설정 23
• 나. 격자 독립성 시험 23
• 4. 기상 및 환경 조건 29
• 5. 데이터 수집 및 입체 모니터링 체계 30
• Ⅴ. 실험결과와 고찰 31
• 1. ALOHA의 굴뚝배출 중질가스 해석 31
• 가. 시나리오 1-1 32
• 나. 시나리오 1-2 36
• 다. 시나리오 2 40
• 라. 소결론 43
• 2. 대기안정층의 높이가 중질가스의 거동에 미치는 영향 45
• 가. 시나리오 1 48
• 나. 시나리오 2 52
• 다. 시나리오 3 56
• 라. 시나리오 4 60
• 마. 소결론 64
• 3. 굴뚝 높이에 따른 배기가스의 거동과 특성 66
• 가. 5m 이상 50m 이하 68
• 나. 50m 초과 100m 이하 85
• 다. 100m 초과 100m 이하 97
• 라. 굴뚝높이에 따른 수직고도별 농도변화의 비선형 회귀분석 108
• 마. 소결론 114
• 4. 실험에 따른 종합정리 117
• Ⅵ. 결론 120
• 1. 연구의 요약 120
• 2. 연구의 의의 122
• 3. 연구의 한계 및 향후 과제 124
• 참고문헌 126
• 국문초록 133
• 감사의글 136