PCBs 오염 절연유 고온소각처리에 따른 분해효율 및 이성체 분포 변화 연구

우태호 서울시립대학교 도시과학대학원 2015 국내석사

Polychlorinated Biphenyls (PCBs) are one of the substances contained in substances called Persistent Organic Pollutants (POPs). As the present issues of control, management and disposal of products and wastes containing PCBs, one of 12 kinds of POPs emerge as pending problems of an international agreement, according to manufacturing and use in the past, a party to the agreement should report on the checking and removal of the devices using PCBs by 2025 and establish a management system for PCBs by 2028 at the latest. Recently, South Korea has carried out a survey on the products and wastes containing PCBs and prepared a plan for safe management of them, and it is urgently necessary to seek a proper disposal method. Technologies of disposing PCBs are typically divided into thermal treatments like high temperature incineration or high temperature melting and other chemical treatments. This study attempted to figure out Destruction Removal Efficiency (DRE) according to the level of concentration of waste insulating oil containing PCBs, changes in isomer pattern and material behavior in the process at two high temperature incineration treatment facilities, A and B. In pre-treatment insulating oil, the ratios of 5 chloride, 6 chloride and 7 chloride were considerably high at about 63 to 90% in most of the specimens, through which it was found that the ratios of Penta-, Hexa- and Hepta- homologues were high in domestic PCBs. On the posterior of the heat exchanger, there was a weight shift toward low chloride in the pre-treatment pattern of insulating oil in both facilities. As a result of an analysis of PCBs in the chimney, the removal efficiency through preventive facilities after the sections of thermal destruction and re-synthesis was 62% and 42%, respectively under conditions of injection in low and high concentration at Facility A, while it was 70% and 74%, respectively in Facility B. In the result of an analysis on the total decomposition efficiency, when high concentration PCBs were injected, there was five-nine decomposition efficiency in both facilities, and when low concentration PCBs were injected, there was four-nine decomposition efficiency, so it was found that the decomposition efficiency was low when low concentration PCBs were injected. As a result of an analysis of the remnants generated in the incineration process, in both facilities, the ratio of low chloride in the flooring material and quenching water was considerably high, and then in the heat exchanger fly ash, there was a clear shift of the center of gravity to high chloride again. As for the ratio of the behaviors of PCBs under the conditions of low and high concentration at each point based on the heat exchanger exit concentration, in Facility A, 3.32% and 3.93% were removed from SDR; 50.11% and 52.53% from BF; and 0.26% and 0.22% from washing type dust collector equipment, and the ratio of the total amount of the remaining PCBs released through the chimney were 46.3% and 43.3%. In Facility B, 5.44% and 3.32% were released from SDR; 63.1% and 54.5% from BF; and 31.5% and 41.2% of the remaining PCBs were finally released through the chimney. As for the removal efficiency of PCBs of each preventive facility, for SDR, 3.32 to 3.93% at Facility A and 5.44 to 3.28% at Facility B; for BF, 51.8 to 54.7% at Facility A and 57.3 to 66.7% at Facility B, and the efficiency of the removal of PCBs in washing type dust collector equipment at Facility A was 0.50 to 0.56%. Through these results, it is judged that it would be necessary to prepare criteria for stable management and treatment of PCBs appropriate for the domestic reality in light of the situations in South Korea using low concentration PCBs. 폴리염화비페닐(Polychlorinated Biphenyls, PCBs)은 POPs(Persistent Organic Pollutants)물질이라 불리는 잔류성 유기오염물질에 포함되어 있는 물질 중의 하나이다. 잔류성 유기오염물질 12종의 하나인 PCBs는 과거 제조 및 사용에 따른 현재 PCBs 함유 제품 및 폐기물의 규제, 관리 및 처리문제가 국제적인 협약의 현안으로 부각되면서 협약국은 2025년까지 PCBs를 사용한 장치의 확인 및 제거를 보고하여야 하며, 늦어도 2028년까지는 PCBs 관리 체계를 만들어야 한다. 최근 국내에서도 PCBs 함유 제품 및 폐기물의 실태조사 및 안전관리 방안을 마련 중에 있으며, 적절한 처리 방안의 모색이 시급한 실정이다. PCBs 처리 기술은 대표적으로 고온소각이나 고온 용융과 같은 열적 처리방법과 이외의 화학적 처리방법으로 구분되고 있다. 본 연구는 우리나라 고온소각처리(A, B)시설을 대상으로 PCBs 함유 폐절연유 농도수준에 따른 분해효율(Destruction Removal Efficiency, DRE) 및 이성체 패턴 변화, 공정 내에서의 물질거동 등을 파악하고자 하였다. 처리 전 절연유에 있어서는 대부분의 시료에서 5염화물, 6염화물, 7염화물이 차지하는 비율이 약 63 ∼ 90%로 상당히 높은 수치를 보임을 통해 국내 PCBs에서 Penta-, Hexa-, Hepta- 계열 동족체의 비율이 높음을 알 수 있었다. 열교환기 후단의 경우 두 시설 모두 처리 전 절연유 패턴에서 저 염화물 쪽으로 중심이동이 있는 것을 확인할 수 있었다. 굴뚝에서의 PCBs를 분석한 결과 열적파괴 및 재합성 구간이후방지시설을 통한 제거효율은 A시설 저농도, 고농도 투입조건에서 각각 62%, 42%로 나타났으며, B시설에서는 각각 70%, 74%를 나타내었다. 총 분해효율 분석결과 고농도 PCBs 투입시에는 A, B시설 모두 five-nine 분해효율을 보였고, 저농도 PCBs 투입시에는 A, B시설 모두 four-nine 분해효율을 보여 저농도 PCBs 투입시 분해효율이 낮게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 소각과정에서 발생되는 잔재물의 분석결과 두 시설 모두 바닥재와 퀸칭수에서 저염화물이 차지하는 비율이 상당히 높게 나타났다가 열교환기 비산재에서는 다시 고염화물 쪽으로의 무게중심 이동이 확연하게 나타났다. 열교환기 출구 농도를 기준으로 각 지점에서의 저농도, 고농도 투입 조건별 PCBs 거동비율은 A시설의 경우 SDR에서 3.32%, 3.93% BF에서 50.11%, 52.53% 세정집진설비에서 0.26%, 0.22%가 제거되어지며 나머지 굴뚝으로 배출되는 PCBs 총량의 비율은 46.3%, 43.3%가 된다. B시설의 경우 SDR에서 5.44%, 3.32% BF에서 63.1%, 54.5% 나머지 31.5%, 41.2%의 PCBs가 굴뚝으로 최종 배출되어진다. 각 방지시설의 PCBs 제거효율은 SDR의 경우 A시설 3.32 ∼ 3.93%, B시설 5.44 ∼ 3.28%이며, BF의 경우 A시설 51.8 ∼ 54.7%, B시설 57.3 ∼ 66.7%, A시설 세정집진시설에서의 PCBs 제거효율은 0.50 ∼ 0.56%로 나타났다. 이를 통해 주로 저농도의 PCBs를 사용하고 있는 우리나라의 상황에 비추어 국내 현실에 맞는 PCBs의 안정적인 관리 및 처리기준의 마련이 필요할 것으로 사료된다.

퍼지 집합 이론을 이용한 보조 급수 계통의 안전성 분석 방법론에 관한 연구

우태호 서울대학교 대학원 1993 국내석사

외부기상변수가 지역난방 공동주택 사용자측의 급탕사용유량에 미치는 영향 분석

우태호 서울과학기술대학교 에너지환경대학원 2014 국내석사

현재 우리나라에서는 주택보급률을 높이고 한정된 국토에서의 효율적인 택지이용을 위하여 대규모 공동주택단지가 계속적으로 증가하고 있다. 따라서 이러한 주거용 건물의 양적 팽창과 함께 거주자의 실내 열환경 수준의 질적 요구도가 높아짐에 따라 주거용 건물의 급탕사용량이 지속적으로 증가하고 있다. 아파트는 여러 세대가 동일한 건물 내에 공존하는 특성을 갖고 있으므로 그 규모에 따라 급탕시스템의 종류가 달라지게된다. 또한 국가별로 기후적인 특성, 건물 구조체의 열적 특성, 생활방식에서부터 에너지원단위, 그리고 산업구조 등에 이르기까지 적절한 급탕시스템의 선택에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 우리나라의 경우 아파트 급탕공급방식은 공동주택 보급의 초기방식인 개별식 연탄보일러 난방방식에서 유류를 에너지원으로 하는 대규모 중앙난방식 및 지역난방방식, 그리고 가스 또는 전기를 에너지원으로 하는 개별난방방식에 이르기 까지 매우 다양한 종류의 급탕공급시스템이 보급되어 오고 있다. 외국의 경우에는 대규모 신축 공동주택 단지에는 열병합 또는 중앙공급에 의한 지역난방방식이 적용되고 있으며 가스 또는 전기에너지 가격이 비교적 저렴하여 이러한 에너지를 사용하는 개별방식이 일반적이다. 본 연구에서는 외부기상변수가 지역난방 공동주택 사용자측 급탕사용유량에 미치는 영향 분석 연구를 하고자 한다. 우리나라 아파트의 대부분이 축열용량이 큰 중량구조이기 때문에 열전달에 있어 타임랙이 크며 운전방식에 있어서도 간헐운전이기 때문에 예열부하의 비중이 크다. 따라서 외기온도 변화에 맞춰 적절한 시간에 실내에 열공급이 이루어지기 위해서는 몇 시간 후의 외기온도를 예측해야만 한다. 평소에 일반적으로 예측된 시간과 외부기상변수가 변화한 때(외기온도상승, 강수량증가, 적설량증가, 미세먼지농도)를 비교하여 사용자측 급탕사용유량에 변화된 모습을 비교․분석하여 외부기상변수에 의한 사용자측 급탕사용유량 예측식을 도출하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 공동주택을 면적별로 소,중,대로 나누어 급탕사용유량과 외부기상변수의 상관성을 분석하였다. 소형 공동주택의 경우 급탕사용유량과 1일평균 미세먼지농도의 상관성은 57.5%, 외기온도 상관성은 89.5%, 강수량 상관성은 33%, 적설량상관성은 32%으로 나타났다. 중형공동주택의 경우 급탕사용유량과 1일평균 미세먼지농도의 상관성은 32.5%, 외기온도 상관성은 81.50%, 강수량 상관성은 31.5%, 적설량상관성은 34.5%으로 나타났다. 대형 공동주택의 경우 급탕사용유량과 1일평균 미세먼지농도의 상관성은 37%, 외기온도 상관성은 87.5%, 강수량 상관성은 28%, 적설량상관성은 39%으로 나타났다. 2) 측정대상 공동주택의 외기온도 값과 단위세대별 급탕사용유량값의 분포도를 이용하여 면적별로 단위세대별급탕사용유량을 예측하는 식 도출하였다. 각 면적별 식은 다음과 같다. 소형 공동주택 : 중형 공동주택 : 대형 공동주택 : 3) 본 논문에서 사용자측 급탕사용유량을 실시간 수집, 분석함으로써 사용자의 급탕열사용 변화를 알수 있었으며, 기존의 한 개 동의 열사용 패턴 분석이 아닌 면적(평형)대별 여러 공동주택을 열원과의 거리, 열 공급지역내 지역, 건축시기 등을 고려하여 최대한 많은 수의 표본을 분석하여 급탕사용유량 예측식을 수정해 나가면 향후 급탕사용유량 부하예측 및 공동주택의 열원설비 설계의 활용자료로 가치가 높을것으로 사료된다. Abstract A Study on the Effect of Meteorological Variables upon Hot Water Flow Rates of Consumers in Apartment Housings with District Heating Systems Woo, Teal Ho (Supervisor Chung, kwang Seop) Dept. of Energy Mechanical Facility Engineering Graduate School of Energy and Enviroment Seoul National University of Science and Technology Currently, construction of large-scale apartment complexes is constantly increased to raise housing supply rate and effectively use housing sites in our country where the land is limited. Thus, hot water usage of residential buildings is continuously increased in accordance with the demand for quality of the user’s indoor thermal environment level and quantitative extension of the residential buildings. As many housing units coexist in a same building of apartment houses, the types of hot water system are differentiated according to the scale. Also, there are various factors such as from national weather characteristics, thermal characteristics of building structures, and lifestyles to energy source units and industrial structures that have effect on selection of appropriate hot water system. In our country, there has been supplied various types of hot water supply systems of apartment houses from individual briquette boiler heating system, which is the initial system supplied in the beginning period of apartment houses, to large-scale central and district heating systems with the energy source of oil and individual heating system with the energy source of gas or electricity. In foreign countries, the district heating system operated by cogeneration or central supply is applied to the large-scale newly built apartment houses, and the cost of gas or electric energy is relatively cheaper and thus it is general to take individual system in using of these energies. This study analyzed the effect of the external weather variables on the hot water flow rate of users in apartment houses with district heating. As most of the apartment houses in our country was solid construction with large thermal storage capacity there was occurred big time lack in heat transfer; as it was managed with intermittent operation, the portion of preheat load was large. Therefore, the outdoor air temperature after several hours should be estimated for smooth heat supply to the indoor at the right time in accordance with the change of the outdoor air temperature. Usually, it was compared and analyzed the change of user’s hot water flow rate in comparison of the usual time when it was estimated and when the outdoor air variables were changed (increased outdoor air temperature, increased rainfalls, increased snowfalls, and fine dust concentration) to derive a prediction formula for the user’s hot water flow rate in accordance with the outdoor weather variables. The results were summarized as follows: 1) The apartment houses were divided by small, medium, and large in accordance with the size to analyze the relativeness between the how water flow rate and outdoor weather variables. Regarding the small apartment houses, the relativeness between the hot water flow rate and 1 day average fine dust concentration was 57.5%, and the outdoor air temperature was 89.5%, and the rainfalls was 33%, and the snowfalls was 32%. Regarding the medium apartment houses, the relativeness between the hot water flow rate and 1 day average fine dust concentration was 32.5%, and the outdoor air temperature was 81.50%, and the rainfalls was 31.5%, and the snowfalls was 34.5%. Regarding the large apartment houses, the relativeness between the hot water flow rate and 1 day average fine dust concentration was 37%, and the outdoor air temperature was 87.5%, and the rainfalls was 28%, and the snowfalls was 39%. 2) The formula to predict the hot water flow rate by house units according to the size in using of the outdoor air temperature value of the target apartment houses and the distribution of the values of hot water flow rate by house units was derived. Each formula by sizes was as followings: Small Apartment Houses : Medium Apartment Houses : Large Apartment Houses : This study examined the change of hot water heat flow rate by collecting and analyzing the hot water flow rate of the users in real time, and it analyzed the maximum number of samples in consideration of the distance of many apartment houses by sizes (square meter) from the energy source, region within the area of heat supply, time of construction, and etc. rather than just the pattern of heat usage in one of the apartment houses; it was expected to estimate the load of hot water flow rate in future with modification of the prediction formula for hot water flow rate and obtain high value as application data for design of energy source facility for apartment houses.

원자력 발전소의 물리적 방호에 관한 연구

우태호 서울대학교 대학원 2013 국내박사

후쿠시마 사고로 가동중인 원자력 발전소의 제반 설비들 중에서 물리적 손상을 받을 경우에 원전의 안전성에 상당한 타격을 가할 수 있는 중요성을 지닌 부분이 인위적 접근 및 손상에 대한 대비가 강화될 필요가 있음이 알려졌다. 본 논문에서는 가동중인 대형 경수형 원자력 발전소에 대한 테러 및 사보타주 등 인위적 손상으로부터 안전을 보장하기 위한 방법을 물리적 방호 설비, 테러 시나리오 별로 사례 측면에서 정성적인 방법으로 분석하고 개선을 위한 방안을 연구하였다. 대형 시설물에 대한 테러 사례를 조사하여 이를 토대로 원자력 발전소에 가능한 주요 시나리오를 설정하였다. 테러 시나리오에 대해서는 다음 8 가지의 가능한 원자력 발전소에 대한 테러 공격을 고려하였다. 즉 1) 차량탑재 폭탄, 2) 해상 침투 및 공격, 3) 폭탄탑재 소형항공기의 자살 공격, 4), 소형 화기로 무장한 테러단의 정면 공격, 5) 로켓 또는 중형 무기 공격, 6) 송전선 파괴, 7) 건물 내부 침투 및 교란, 8) 원자로 건물이나 사용후핵연료 저장소 건물에 대한 납치된 상용 항공기의 자폭공격이다. 이러한 8개의 테러 시나리오에 대한 분석으로 원자력 발전소에 대한 공격, 테러 공격으로부터 발생할 수 있는 위험에 대한 분석을 수행하였다. 세계 원전의 상당 부분을 차지하는 해안가에 인접한 대형 경수로를 대상으로 위의 8 가지 테러 시나리오에 대한 발생 시나리오 가능성과 테러 공격이 안전에 미치는 중요성을 분석하였다. 이를 토대로 IAEA 사고 등급과 연계하기 위한 연구를 수행하였다. 원자력 발전소 테러에 대응하는 물리적 방호 시스템은 탐지단계, 지연단계, 대응단계의 세 가지 단계로 구분하여 분석하였다. 탐지단계의 분석에 계측기에 의한 침투 탐지와 경보 발생 및 정보 전송 과정을 거쳐 사람이 경보의 유효성을 판단하는 과정을 포함하였다. 지연단계의 분석에 침투 활동을 지연시킬 수 있는 효과적인 수단이 포함되도록 하였다. 대응단계에서 가용한 수단으로 침투 활동을 제압하는 물리력과 제지 수단 및 대응 요원과 긴급 대책 계획, 통신, 억제 수단을 포함하였다. 이러한 분석을 통하여 원자력 발전소의 물리적 방호 개선을 위하여 안전규제상의 심층 방호 요건과 중대사고로 인해 주민에게 가해질 수 있는 위험을 최소화하기 위하여 여러 중대사고 비상대응조치를 고려하였다. 이의 응용으로서 물리적 보안시스템의 강화, 바리케이드 강화, 해안경비 강화, 공항 보안 강화, 대공포 설치 그리고 원전 주위의 보안 강화 등 다양한 방법을 제안하였다.