소규모 사업장 배출 대기오염물질의 주변지역 영향 연구 : 확산모델 및 전산유체역학 적용 = Local dispersion of air pollutants discharged from emission sources of small scale industries -Using on dispersion model and computational fluid dynamics-

국문 초록 (Abstract)

산업이 점차 고도화되고, 다양한 화학물질의 취급량이 증가하면서 유해화학물질 배출사고와 대기오염물질 배출로 인한 환경오염피해가 지속적으로 발생하고 있다. 2015년에 제정된 환경오염시설의 통합관리에 관한 법률이 2017년부터 시행되면서, 대형 사업장은 단순히 법 규제치 미만으로 배출하면 문제가 없었던 과거와는 달리 사업장 주변 환경에 미치는 영향을 고려하여 사업장별로 배출기준을 부여하게 되었다. 그러나, 소규모 사업장은 유해물질 관리의 사각지대로서 주변 대기질 및 국지적인 오염을 유발하여 민원을 빈번하게 발생시키고 있다.
소규모 사업장에서 배출되는 유해대기오염물질은 기상조건에 따라 점오염원으로부터 주변 지역으로 확산되는데, 확산모델을 이용하여 영향범위를 예측하고 있는바, 본 연구에서는 미국 EPA의 권장모델인 CALPUFF; 스크리닝 모델 기법인 SCREEN3; 환경부에서 화학물질관리법을 도입하면서 무료로 배포한 유해화학물질 평가 모델인 KORA; 유체의 이동과 확산을 예측하는 전산유체역학(CFD)을 이용하는 수치해석 방법을 활용하여 임의의 지역에서의 주변 확산범위를 예측하고, 실측값과 비교해보았다.
소규모 사업장 (주변 오염물질 배출원이 없고, 주변 건물이 없는 평탄한 지형)의 주변 공간에 대하여, 배출원에서 발생하는 오염물질을 톨루엔(toluene)으로 설정하여, 배출농도와 현장 주변의 공간농도를 측정하여 모델별로 상호 비교하였다. 전산유체역학(CFD)을 이용하였을 때 배출원 주변 건물로 인한 building downwash 영향이 있음을 확인하였다. 지면의 지형구조에 의한 영향은 CFD 기법이 가장 세밀하게 구현할 수 있었으며, 현장 실측농도와 상대적으로 유사하게 예측되었다.
CALPUFF 모델은 장거리 및 복잡한 지형에 대한 농도 예측에 적합한 모델로서 본 연구에서 설정한 배출 농도값(0.0951 ppm)의 경우 배출원과 다소 멀리 떨어진 600 m 지점에서 최대지표농도(0.00017 ppm)가 확인되었다. 소규모 국지적 공간에 대한 유해물질의 확산농도를 예측할 때 SCREEN3 모델이 빈번하게 사용되는데, 계산결과치는 실측치의 1.05 %에 해당하는 낮은 수준으로 산출되었다. 즉, SCREEN3 모델은 간단하게 구성되어 단순한 변수(오염물질의 배출량, 굴뚝 높이와 직경, 배출가스의 유속과 온도, 외기의 온도)들을 대입하여 계산하는 바, 굴뚝 배출원의 국지적 확산을 정량적으로 평가를 하는 데 한계가 있음을 확인하였다. KORA 모델은 화학사고가 발생하였을 때 영향범위를 예측하기 위해 개발된 모델로서, 굴뚝에서 측정한 실측값을 반영할 수 없는바, 실제 굴뚝에서의 배출을 모사하기 어렵기 때문에 여타 확산 모델들과는 다소 다른 양상을 보였다. 즉, KORA 모델을 이용하기 위하여 대입한 변수들은 기상정보, 배출 물질, 배출시설 제원, 저장량, 운전온도, 운전압력, 배출 위치, 실내 여부 들로서 계산결과, 지면농도가 9.3 m 거리에서 17.97 ppm 으로 나타남으로써 실측값과 큰 차이를 보여주었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Various chemicals used in small and large industries cause harmful incidents and local environmental pollutions to water and soil as well as atmosphere. Since the emission regulation of air pollutants has been implemented in 2017, consideration for neighboring areas has emerged as a major concern for manufacturing companies. Nevertheless, because the government could not sufficiently monitor small industries, civic complaints frequently occur.
The emission of harmful gases from point sources was traced by theoretical models such as CALPUFF recommended by US EPA; SCREEN3 a screening model; KORA, an evaluation model for hazardous chemical dispersion distributed by Ministry of Environment of Korea; and computational fluid dynamics (CFD), a numerical analysis simulation tool. These model predictions were then compared each other based on field monitoring data. Test flue gas was toluene which was found at high concentrations in target point sources.
CALPUFF with the input value of the emission concentration of 0.0951 ppm estimated the landing concentration at 600 m from the source stack to be 0.00017 ppm. This value was significantly lower than field data because CALPUFF primarily is used for long distance predictions rather than surrounding areas. SCREEN3 also showed very low value, representing only 1.05 % of field data. Since SCREEN3 uses only a few parameters including stack height and diameter, exhaust gas flow rate, flue gas temperature and atmospheric temperature, it may lead to potential errors deviating from real situations. KORA model, which was developed to assess the influencing area due to chemical accidents using following information: weather condition, discharged substances, operation pressure, and local condition, revealed the ground concentration of 17.97 ppm at 9.8 m from the stack.
Surface topography and local geometry are important parameters that influence the dispersion extent of discharged gases, and this study confirmed that CFD technique is the fundamental model for adequately simulating short-range dispersion including building downwash.

목차 (Table of Contents)

• Chapter Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 1
• 1.1.1. 중소형 제조업에 대한 화학물질 관리제도 1
• 1.1.2. 대기 중 유해화학물질 피해 사례 4
• 1.1.3. 유해대기오염물질의 확산 6
• 1.2. 연구 목적 8
• Chapter Ⅱ. 문헌고찰 및 이론적 배경 9
• 2.1. 문헌 고찰 9
• 2.1.1. 산업체 발생 대기오염물질 9
• 2.1.2. 발생원 주변 영향 18
• 2.2. 이론적 배경 20
• 2.2.1. 유해 대기오염물질 시료채취 & 분석 20
• 2.2.2. 대기 확산 모델 24
• 2.2.3. 전산유체역학(CFD) 45
• 2.2.4. 이론모델 비교 49
• Chapter Ⅲ. 연구방법 51
• 3.1. 대기질 조사 51
• 3.2. 배출원 조사 57
• 3.3. 대기 확산 모델 59
• Chapter Ⅳ. 결과 및 고찰 73
• 4.1. 유해가스의 현장농도 고찰 73
• 4.1.1. 연구대상 지역 현황 73
• 4.1.2. 대상지역 기상조건 77
• 4.1.3. 대기중 VOCs 농도 (AQMS 및 환경대기질 측정) 79
• 4.1.4. 배출원에서의 VOCs 농도 82
• 4.2. 확산모델을 이용한 지역 대기농도분포 고찰 86
• 4.2.1. CALPUFF 모델 86
• 4.2.2. SCREEN3 모델 91
• 4.2.3. KORA 모델 101
• 4.2.4. 전산유체역학모델을 이용한 수치해석(CFD) 108
• 4.2.5. 예측 모델에 따른 확산농도분포 비교 124
• 4.3. 소규모 사업장 유해물질 확산 저감방안 고찰 131
• Chapter Ⅴ. 결론 및 제언 140
• 5.1. 결론 140
• 5.1.1. 현장 실태 140
• 5.1.2. 대기 확산 모델을 이용한 영향범위 추정 141
• 5.1.3. 전산 유체 역학 기법을 통한 영향범위 예측 143
• 5.2. 제언 144
• References 145
• Abbreviations 155
• Abstract 158