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파장가변형 흡수분광법을 이용한 질산암모늄 생성 과정에서의 NO와 NH₃ 농도 실시간 변동 측정
정낙원(Nakwon Jeong),소성현(Sunghyun So),김대해(Daehae Kim),송순호(Soonho Song),이창엽(Changyeop Lee),박대근(Dae Geun Park) 한국에너지기후변화학회 2020 에너지기후변화학회지 Vol.15 No.2
As rapidly growing across industries, particulate matters, which become a social issues in Korea, are caused by using Fossil fuels and expanding transportation. By atmospheric chemical reactions, primary air pollutants convert into secondary air pollutants. These pollutants decrease visibility and cause environmental problems such as acid rain and harmful effects on human health. Gaseous NO and NH₃ are significant precursor of secondary air pollutants, it is important to measure concentration of these gases. TDLAS, which is an optical measurement technology, has several advantages such as non-invasive, sensitive, fast response and robustness against various forms of noise, allow measuring the transient analysis of particulate matters. In this paper, the reaction relationship with NO, NH₃, H₂O and O₃ was analyzed by measuring the change in gaseous concentration during the conversion of nitrogen oxides to ammonium nitrate using TDLAS.
레이저 흡수 분광법을 이용한 광화학반응 내 NO, NH₃ 농도 실시간 측정
정낙원(Nakwon Jeong),이승룡(Seungryong Lee),김강현(Kanghyun Kim),소성현(Sunghyun So),박대근(Dae Geun Park),김대해(Daehae Kim) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11
대기 중 에어로졸은 태양 복사 전달에 직접 간섭하고 구름 형성에 간접적으로 영향을 줌으로써 대기에 광범위한 영향을 미치는 등 환경적, 사회적으로 가장 큰 이슈로 부각되고 있다. 대기 에어로졸은 다양한 오염원으로부터 배출되는 1차 미세먼지와 대기 중에서 광화학반응을 통해 생성되는 2차 생성 미세먼지로 구분된다. 이때 2차 생성 미세먼지를 발생시키는 전구물질로는 질소산화물, 황산화물, 암모니아, 오존 등이 있다. 효과적으로 미세먼지에 대응하기 위해서는 다양한 변수들에 대한 전구물질들의 상관관계를 상세히 파악하는 것이 중요하다. 파장가변형 흡수 분광법(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)은 실시간으로 정량적인 농도측정이 가능하고 비접촉식이며 높은 정밀도 및 신뢰성을 가지고 있는 측정법이다. 따라서 미세먼지로 변환되는 과정에서 전구물질의 농도를 실시간으로 측정하기에 매우 적합한 측정 기술이다. 본 연구에서는 자외선량, 상대습도, O₂, NO, NH₃의 초기 농도 등의 변수를 가지고 광화학반응을 통한 질산암모늄 형성 과정을 실험실에서 직접 재현함과 동시에 TDLAS 기법을 이용하여 시간에 따른 NO와 NH₃ 전구물질의 농도를 측정하고, 그때 생성된 질산암모늄 입자를 포집하여 성분, 형태 및 크기를 분석하는 연구를 수행하였다. NO와 NH₃의 농도는 각각 1.52 μm의 분포 궤환형 레이저와 5.19 μm의 양자 폭포 레이저로 DAS 기법을 사용하여 측정되었다. 상온, 상압에서 UV-C 광도가 24W이고 상온에서 상대습도가 약 30%일 때 NO와 NH₃는 98% 이상 NO₂, HNO₃, NH₄NO₂ 등으로 변환되는 결과를 보였다. 또한, UV-C 광량이 강할수록, 초기 O₂ 농도가 높을수록, 상대습도가 높을수록 NO, NH₃ 가스의 변환율이 증가하였으며 입자 발생량 및 크기 역시 증가하였다.
이창엽(Changyeop Lee),정낙원(Nakwon Jeong),김대해(Daehae Kim) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11
산업용 보일러는 전통적인 열공급 기기로 지금도 거의 모든 공장, 건물에서 활용되고 있다. 산업용 보일러의 대부분은 연료를 연소시켜 발생하는 열을 열교환기를 통해 흡수하여 스팀이나 온수를 생산하는 방식으로, 연소 배기가스에 대한 대기환경규제 대응 기술과 보일러 효율 향상을 통한 연료 절감 기술을 중심으로 꾸준한 연구개발이 진행되어 왔다. 산업용 보일러용 연소기의 경우, 정부 정책 및 사용 환경의 변화 등으로 현재 가스연료 연소기가 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 이에 액체연료를 주로 사용하던 이전 시대에 비해 발생하는 질소산화물(NOx) 수준도 상당히 낮아졌으며, 다양한 연구개발을 통해 현재 최저 9ppm 수준의 저NOx 연소기가 판매되고 있다. 보일러 효율의 경우에는 수요처에서의 연료 절감에 대한 요구로 민간에서도 적극적으로 개발에 참여하였으며, 현재 산업용 보일러 효율은 최고 92% 수준까지도 보고되고 있다. 현장에서 확보되는 저공해, 고효율 성능은 앞서 설명한 제품 인증 시의 수치와는 차이가 있다. 일반적으로, 열부하 제어 등 보일러 작동 조건이나 흡입공기의 온도, 습도 등 보일러 작동 주변 환경 조건에 따라 보일러 친환경 성능은 차이를 보이게 되는데, 이는 적용된 개발 기술들의 성능 발현 조건이 협소하기 때문이다. 최근 산업용 보일러 개발 방향 중 하나는 효율적인 운영에 대한 연구이다. 저공해 연소기술과 보일러 효율향상 기술이 한계점에 근접한 현재 상황에서, 적용된 기술들의 성능을 최대한으로 높여 운전하는 방법은 경제적, 환경적으로 얻을 수 있는 이득이 크다. 이에 본 논문에서는 화염 실시간 진단 및 환경변동 대응 최적 연소제어 기술, 배기가스 측정 및 이상진단 가상센서 기술, 고집적 모듈형 열교환기 기술 등을 중심으로 하는 지능형 산업용 보일러 상시 저공해 고효율화 개발 연구에 대한 정보를 제공한다.
파장 가변형 레이저 흡수 분광법을 이용한 광학적 포화 상태의 CO 농도 측정에 관한 연구
이승룡(Seungryong Lee),정낙원(Nakwon Jeong),황정호(Jungho Hwang),유미연(Miyeon Yoo),박대근(DaeGeun Park),김대해(Daehae Kim) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11
다양한 연소 시스템에서 발생하는 대기 오염 물질 저감과 연소 효율 증가를 위해 일산화탄소(carbon monoxide, CO)를 정밀하게 측정하는 기술에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 불완전 연소에 의해 발생되는 일산화탄소를 측정하는 기술로 파장 가변형 레이저 흡수 분광법(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)을 사용하여 연소 환경에서 실시간으로 측정 하는 연구가 진행되었다. TDLAS 기법은 비접촉식 방식으로 빠른 응답성과 높은 신뢰성을 가지며 열악한 연소 환경 내 측정에 적합한 기술이다. 하지만 연소 환경 내 높은 일산화탄소 농도 조건이나 광학적 측정 구간의 증가로 발생되는 광학적 포화 상태(optically thick condition)에서의 측정은 어려움을 가지고 있다. 포화상태의 측정신호를 재구성하는 기술은 TDLAS의 가스 측정 범위를 효과적으로 확장 시켜줄 수 있다. 본 연구는 CO 농도 측정을 위해 직접흡수분광법(Direct absroption spectroscopy)을 사용하여 실험을 진행하였다. 측정된 광학적 포화 상태의 데이터는 HITRAN database를 이용하여 voigt 함수 기반 시뮬레이션을 통해 얻어진 재구성 데이터와 비교하여 분석하였다.