1. 서 론

시멘트를 제조하는 공정은 다량의 분진과 악취를 발 생시킴으로써 주변의 대기질을 악화시킬 수 있다. 특히 시멘트 제조 사업장이 지리적으로 한적한 곳에 위치해 있지만, 도시의 팽창과 환경질에 대한 시민들의 요구가 증대하면서 지역주민들과 빈번한 마찰이 발생하고 있 다. 실제로 시멘트 제조공장이 밀집되어 있는 지역에서 의 복합악취 및 지정악취물질에 대한 면밀한 연구조사 결과, 암모니아, 카르보닐 화합물, 황화수소, 알데히드 류 등이 다량 검출되는 것으로 밝혀지기도 하였다 (Kim et al., 2016). 이러한 생활환경문제를 해결하기 위하여 정부는 악취로 인한 피해와 민원이 빈번한 지 역을 악취관리지역으로 지정하여 일반 지역보다 엄격 한 배출기준을 적용하고, 악취 민원을 저감하기 위하여 다양한 노력을 경주하고 있다(Park, 2010).

한편, 발생원으로부터 주변으로 확산되는 악취의 공 간분포와 정량적인 농도 값을 예측하기 위하여 대기확 산모델이나 컴퓨터를 이용한 수치 해석적 연구들이 진 행되어왔다(Holmes and Morawska, 2006). 대기 중에 서 기체상 또는 입자상오염물질의 확산을 예측하기 위 하여 사용되는 이론적 모델들은 주로 가우시안(gaussian) 의 모형을 기반으로 계산하는 경우가 많다. 그러나 단거리 범위에서 짧은 시간동안 특정 공간에 대한 영 향을 집중적으로 고찰하기 위해서는 수치 해석적 방법 을 통하여 유체역학적 기류의 흐름을 고찰하는 상호 보완이 필요하다(Yu et al., 2003). 일반적으로 300 m 이내의 짧은 거리에 대하여는 CFD가 대표적인 확산모 델인 CALPUFF 보다 높은 값의 농도분포를 보이는 것 으로 알려져 있다(Li and Guo, 2006).

기존의 확산모델들이 확률론적인 계산에 의해 농도 분포를 계산하는 반면에, 유체역학적 유동해석방법 (CFD)은 물질의 유동현상에 의한 기체부피의 혼합과 희석으로부터 추정한다. 따라서 거대한 공간에 대한 연 속적인 계산이 쉽지 않았으나, 최근 컴퓨터의 발달과 더불어 복잡한 유체 흐름을 상대적으로 단시간 내에 해석할 수 있게 되었다. 특히 발생원 주변에 분포되어 있는 지면이나 지형의 영향을 크게 받는 악취물질의 이동 특성을 충분히 고려하면서 비교적 정확하게 현장 조건을 고려하여 계산할 수 있게 되었다. 그러나 여전 히 CFD 기법을 이용하여 악취의 확산현상을 추적하는 연구는 미흡한 상태에 머물러 있다. 무엇보다 기상상태 를 안정적으로 고려할 수 있는 조건을 확보하기가 일 반적인 대기 확산모델들에 비하여 어려운 문제 중의 하나이다(Park et al., 2013).

본 연구에서는 이러한 컴퓨터를 이용하는 전산유체 역학기법을 사용하여 3차원적 수치해석을 실시함으로 써 시멘트 제조공정의 소성로에서 발생하는 악취물질 의 확산현상을 입체적으로 고찰하였다. 이를 통하여 발 생원으로부터의 영향권범위와 농도분포를 기상조건에 따라 계산해보았다.

2. 연구방법

본 연구는 시멘트 공장의 소성로에서 발생하는 배출 가스를 대상으로 전산유체역학 기법을 이용하여 악취 물질의 확산량을 계산해보고자 하는 것이다. 수치해석 을 위해 사용한 전산유체역학 프로그램은 Design Modeler (Geometry), Meshing platform (Mesh), FLUENT 및 CFD-Post를 포함하고 있는 통합 환경 솔루션 인 ANSYS workbench 18.0 버전을 사용하였다(ANSYS Workbench 18.0, Fluent, USA). Fig. 1에 나열한 바와 같이 공간영역을 CAD (computer aided design)로 설 계하고, 발생원을 비롯한 건물 및 주변 지형을 단순화 하여 meshing 한 후, 워크스테이션급 컴퓨터를 이용하 여 계산하였다.

기체상 악취물질의 공간확산을 정량적으로 예측하기 위하여 연구 대상영역 내의 공기 유동을 Navier-Stokes 방정식으로 계산하였고, 악취물질의 이동은 물질 이송 방정식(species transport equation)을 적용하였다.

지배방정식으로는 유한체적법과 Patankar와 Spalding (1972)에 의해 제안된 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 알고리즘을 이 용하였고, 질량과 운동량, 에너지 등이 수많은 물리적 인 현상들에 의해 이송되는 것을 기술하는 연속방정식 의 이산화에 의해 계산하였다. 난류모델은 유속의 편차 가 매우 크며 선회 및 상승류현상이 심한 특징을 가진 유동으로, 배출가스와 대기의 흐름의 혼합에서의 오염 물질의 농도를 평가하기 위하여 Realizable κ-ε 난류 모델을 선택하였다.

2.1 Fluent 모델

유동장과 악취 물질의 확산은 FLUENT version 18.0을 사용하였으며, 거대공간에 대한 실제 형상에 근 사하게 구현할 수 있고, 상대적으로 수렴성이 우수하며, 계산이 빠른 Realizable κ-ε 난류모델을 이용하여 계산 하였다. FLUENT 모델에서 질량 보존 방정식 또는 연 속 방정식과 운동량 보존 방정식은 다음과 같다.

여기서 S_m은 배출원에서의 에너지량, ρ는 압력, τ ¯ 는 응력, ρ g → 는 중력 F → 는 외력이다. 응력은 다음 방정식 으로 나타난다.

여기서 μ는 분자 점성, I는 단위 텐서이다. Realizable κ-ε 모델은 식 (4), (5)와 같다.

여기서 G_k는 평균 속도 구배로 인한 난류 운동 에너지, G_b는 부력으로 인한 난류 운동 에너지, Y_M는 전체 소 산율에 대한 압축성 난류의 변동성 팽창 기여도를 의 미한다. 또한 C₂와 C_1ε 는 상수, σ_k와 σ_ε는 k와 ε에 대 한 난류 Prandtl 수, S_k와 S_ε는 사용자 정의 상수이다 (ANSYS, 2017).

2.2 전산모사를 위한 모델링

강원도에 위치하고 있는 시멘트 제조공장을 발생원 으로 선택하였으며, 악취물질의 확산량을 예측하기 위 한 계산영역은 배출구인 굴뚝을 중심으로 주변 지역을 3,000 m × 600 m × 1,000 m의 육면체 공간으로 설정하 였다(Fig. 2). 즉, 외부유동을 계산하기 위하여 실제 배 출원인 굴뚝의 높이보다 5배 이상, 폭은 10배 이상으 로 설계함으로써 해석 영역 내에서 경계면의 수직 방 향에 대하여 계산된 압력변화량이 방해받지 않고, 정확 한 값을 유지하도록 정의하였다.

배출원인 굴뚝은 원기둥 형태로 높이 40 m, 직경 2.4 m으로 실제 굴뚝의 제원과 동일하게 설정하여 배 출가스의 확산정도를 확인하고, 그 영향 범위를 유추하 고자 하였다.

시뮬레이션을 위한 격자를 생성할 때, 왜도(skewness) 의 값이 0.95 이하가 나오게 되면 보다 정확한 해 석이 가능하다. 왜도는 적을수록 더욱 좋은 결과를 얻 을 수 있지만, 격자의 크기를 매우 작게 분할하여야 하 고, 이는 격자수를 증가시키는 요인이 된다. 그러므로 적절한 격자수와 왜도의 크기를 선정하여 해석모델의 격자생성을 수행하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 공 간을 구성하는 격자의 왜도를 0.95 이하로 설정함으로 써 계산이 멈추지 않고, 근사값을 구할 수 있도록 격자 를 생성하였다. 이를 위해 보다 작은 격자를 통해 해석 의 신뢰를 높이고자 단일 형태의 격자를 사용하지 않 고, 공간 구조에 따라 사면체(tetrahedron), 육면체(hexahedron), 피라미드(pyramid), 프리즘(prism) 격자를 혼 용하여 연결하는 하이브리드(hybrid) 격자방식을 사용 하였다.

2.3 악취물질 및 공간확산 수치해석

유체의 기본적인 특성을 우선 정의하기 위해서 시멘 트 제조공정에서 배출되는 대표적인 악취 유발물질로 황화수소(Hydrogen sulfide, H₂S)와 아세트알데히드 (Acetaldehyde, CH₃CHO)를 선정하였다. Fig. 3

악취물질들에 대한 확산량 계산을 위한 경계조건은 Table 1과 같이 설정하였다. 지면과 굴뚝 및 산악지형 은 기본적인 wall로 처리함으로써 단열 경계조건에서 열과 물질의 전달을 차단하였다. 대상공간에 대한 바람 유입부와 굴뚝의 하단부는 velocity inlet으로 설정하여 유속과 온도를 지정하였다. 굴뚝의 배출구는 가스가 통 과할 수 있게 공간형태의 내부경계 조건으로 interior 정의를 설정하였다. 공간영역에서의 바람의 유출부는 pressure outlet으로 전체 계산영역의 출구로 지정하였 다. 계산 영역의 양 측면과 상부는 유체의 흐름이 단절 되는 면이 아니라 연장되는 면으로 유체의 흐름이 경 계면 밖으로 이동하지 않지만, 유동의 흐름이 없는 것 은 아니므로 외부 경계조건에 대한 정의인 symmetry 로 설정하였다.

한편, 사업장 현장 가동조건에 따라 배출가스의 온도 는 323~373 K, 배출속도는 11 m/s로 대입하였다. 시험 지역의 대기 기상조건은 기상청의 기후자료를 토대로 겨울철 평균 기온 273 K (0°C)부터 여름철 평균 기온인 303 K (30°C)를 적용하였으며, 참고적으로 평균풍속은 1m/s, 최대풍속 5 m/s로 가정하였다. 또한, 본 연구에서 는 물리적 확산(dispersion)에 의한 대기 중 순수 건조 공기와의 희석현상만을 고려하였으며, 화학적 변환 (chemical conversion)에 의한 소멸은 고려하지 않았다.

3. 연구결과 및 고찰

시멘트 제조 공정에서 주로 배출되는 악취물질은 암 모니아, 황화합물류, 카르보닐화합물, 아민류, 하이드로 카본류, 지방산류인 것으로 조사되었으며, 각각 약 0.09~11 ppm, N.D.~1,000 ppb, N.D.~2,400 ppb, 0.19~ 5.13 ppb, N.D.~223 ppb, N.D.~22 ppb의 농도로 검출되 고 있었다(Kim et al., 2016). 본 연구에서는 시멘트 제 조공정 가운데 최종배출구인 굴뚝에서 황화수소와 아 세트알데히드가 각각 1 ppm씩 배출되는 것으로 가정 함으로써 상대적으로 가혹조건을 설정하여 주변 확산 거동을 확인하였다.

3.1 기상조건에 따른 악취물질의 거동

대기 중의 오염물질의 농도는 배출원 주변의 기상환 경과 밀접한 관련이 있다. 무풍인 상태에서 폐가스가 일 정한 상태(373K, 10m/s)로 배출될 때, 주변 대기의 온 도와 풍속에 따른 악취물질의 확산거동을 고찰해보았다.

본 연구에서는 우선 굴뚝에서 황화수소와 아세트알 데히드에 있어서 사람이 일반적으로 감지할 수 있는 최소한의 농도인 역치값(Threshold value)이 지상에 도 달하는 지점을 추적해보았다.

Fig. 4에 도시한 황화수소의 경우, 역치인 0.41 ppb 수준까지 영향을 미치는 거리는 기온이 273 K일 때, 310 m, 283 K일 때, 390 m, 293 K일 때, 400 m, 303 K 일 때, 415 m인 것으로 계산되었다. 아세트알데히드는 상대적으로 역치농도(4 ppb)가 높기 때문에 발생원으 로부터 가까운 거리에서 역치 경계농도가 나타났다 (Fig. 5). 즉, 아세트알데히드 취기는 바람방향으로 195~240 m 부근의 지면에서 감지될 것으로 추정된다.

기체상 악취물질은 기온이 높을수록 더 멀리 확산되 는 경향을 보였다. 즉, 여름철을 가정한 기온 303 K가 겨울철의 평균 기온에 해당하는 273 K 분위기에 비하 여 황화수소는 105 m, 아세트알데히드는 20 m 더 멀리 까지 영향을 미칠 가능성이 있다. 이는 배출가스의 온 도가 높을수록 대기의 에너지량이 발생되는 악취물질 의 에너지량과 차이가 적어지므로 확산될 수 있는 거 리가 증가되는 것으로 판단된다. 악취의 특성상 온도가 높을 때, 악취의 강도가 증가하는 경향이 있고, 실제로 발생원 주변에서의 악취 민원은 겨울철보다도 상대적 으로 습도가 높은 여름철에 집중되고 있다.

기온뿐만 아니라 풍속에 따라서도 대기오염물질의 이동현상이 다르게 나타난다. 연구 대상지역의 여름철 평균 풍속은 1 m/s에서 1.9 m/s 로서 물질의 확산거리 가 황화수소는 약 310m 지점, 아세트알데히드는 193m 지점의 지면에서 역치값이 감지될 수 있는 것으로 나 타났다. 그러나 겨울철의 평균 풍속인 약 3 m/s로 바람 이 불어올 때는 황화수소는 139 m 지점에서 발견될 수 있는 반면에, 아세트알데히드는 상공에서 희석되어 역 치값이 지면에 도달되지 않는 것을 알 수 있다.

또한 바람이 거의 불지 않는 정체상태를 가정한 0.1 m/s의 조건에 대하여 해석한 결과, 배기가스는 상공으 로 거의 수직형태로 분사되며 천천히 확산되는 것으로 나타났다. 즉, 배출가스는 보유하고 있는 에너지량의 변화에 대기 중 공기가 영향을 미치지 않으므로 바람 의 방향으로 휘지 않고, 수직 상승하는 것으로 나타났 다. 그러므로 배출가스는 자연대류형태의 혼합과 유체 흐름 거동을 보이므로 느린 혼합과 희석 및 이동현상 을 보여주었다. 그러나 풍속이 높아지면 굴뚝에서 배출 되는 폐가스는 많은 양의 외부공기와 빠르게 혼합되면 서 농도가 급격히 감소하며, 역치값 이하로 희석되고 있는 것을 알 수 있다. Fig. 7의 (c)와 (d)에서와 같이 농도 경계선이 주로 상공에서 이루어짐으로써 지면까 지 강하하지 않는다. 따라서 지면에서 생활하는 사람들 이 악취를 감지할 가능성은 매우 낮을 것으로 예측된다. Fig. 6

3.2 배출가스 조건에 따른 악취물질의 거동

일반적으로 굴뚝에서의 폐가스 배출속도는 주변 풍 속의 2~2.5 배 정도로 설정하고 있다. 충분한 추진력을 통하여 대기 속으로 스며들면서 순간적으로 희석효과 를 극대화하기 위함이다(Kupferberg and Robitaille, 2006). 또한 배기가스의 부력을 높여주기 위하여 가스 의 온도를 100°C 이상으로 유지하는 경우가 많다. 최 근에는 에너지 효용성을 위하여 HRSG (Heat Recovery Steam Generator) 등의 고성능 열교환설비를 적용함으 로써 극단적으로 열회수를 시도하여 50°C 정도까지 낮 은 온도를 유지하는 기술개발이 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 외기온도가 273 K이고, 풍속이 1 m/s인 경우를 가정하고, 최대 373 K의 배출온도와 343 K 및 323 K에 대하여 영향권 범위를 추정해보았다.

Fig. 8의 (a-1), (b-1), (c-1)은 1 ppm의 황화수소가 혼 합되어 배출되면서 역치값이 지면에 도달하는 거리를 계산한 결과이다. 배출가스의 온도가 낮을수록 보다 높 은 농도의 악취성 가스가 멀리까지 확산되는 것을 알 수 있다. 동일한 경향이 아세트알데히드 (a-2, b-2, c-2) 에서도 발견되었으며, 373 K로 배출될 때 (195 m)에 비하여 323 K에서는 205 m로 10 m 더 멀리까지 영향 을 미칠 수 있는 것으로 계산되었다. 황화수소는 41 m 의 차이를 보여주었다. 배출가스의 온도가 높을수록 가 스의 동점성계수(kinematic viscosity)이 비례적으로 상 승하므로 유체흐름에 대한 저항이 증가한다. 동시에 외 기와의 온도차가 클수록 chimney draught 현상이 발생 하면서 외기 중으로 흡입되는 현상이 두드러지는 것으 로 알려져 있다. 무엇보다 고온으로 배출되는 굴뚝가스 는 부력을 크게 받기 때문에 대기 중에서 더 높이 상승 하게 되고, 지면으로 낙하하는 가스량은 상대적으로 적 어질 수밖에 없다. 그러므로 이러한 배경이 외기와의 혼합이후 이동거리에 대한 제한요소로 작용하는 것으 로 추정된다.

한편, 굴뚝 가스의 배출속도에 따른 농도 변화를 확 인하기 위하여 배출온도는 373 K로 고정하고, 배출속 도를 5 m/s, 10 m/s, 20 m/s로 변화를 주어가며 황화수 소와 아세트알데히드의 공간농도분포를 계산해보았다. Fig. 9에서 볼 수 있듯이 배가스는 높은 속도로 굴뚝으 로부터 배출되어 상공으로 분출되고 있다. 예를 들면, 황화수소가 함유된 가스의 배출속도가 20 m/s일 때 배 기가스는 상공 약 200 m 이상까지 치솟으며 희석과 확 산이 이루어지고 있었다. 황화수소의 역치값은 최대 479 m 떨어진 지면에서 발견될 수 있는 것으로 나타났 다. 반면에 배출속도가 상대적으로 낮은 5 m/s에서는 풍속 1 m/s의 외기와 혼합됨으로써 굴뚝으로부터 약 20 m 높이에서 역치농도를 나타내는 경계선이 발견되 었다. 결국 낮은 추진력에 의해 외기에 의해 낮은 고도 에서 희석됨으로써 역전층과 같은 특별한 기상조건이 아닌 경우, 역치값이 지면까지 강하하지 않고 상공에서 머무는 것으로 보였다. 동일한 경향이 Fig. 9의 아세트 알데히드 공간확산분포에서도 나타났다.

4. 결 론

상용 CFD 코드를 이용하여 수치적으로 시멘트 공장 에서 배출되는 악취의 확산을 계산하였다. 발생원인 굴 뚝에서 악취의 배출농도는 1 ppm으로 가정하여 적용 하였으며, 대표적인 악취성 물질인 황화수소와 아세트 알데히드의 역치값이 지면에서 발견되는 거리를 추적 함으로써 인근 지역에 대한 확산범위를 추정해보고자 하였다.

동일한 배출농도에 대하여 기온이 높고, 풍속이 낮 을 때 역치수준의 악취가 더 멀리까지 낮게 가라앉는 것으로 나타나긴 하지만, 30 K 이하의 기온범위에서는 일정한 비례적인 추세를 도출할 수는 없었다. 또한 배 출가스의 온도와 속도가 증가할수록 지면에 도달하는 거리는 발생원인 굴뚝으로부터 멀어지는 경향이 황화 수소에서는 분명히 나타나고 있었으나, 아세트알데히 드는 20 m/s의 배출속도에서 downwash 현상이 반복적 으로 나타났다. 본 연구는 화학적 변환을 배제하고, 물 리적 혼합과 이동만을 고려하여 저농도의 악취성 가스 가 희석됨으로써 역치값으로 지면에 도달하는 과정을 추적한 결과로서 가스분자들의 분해에 따른 고유악취 의 강도 감소량은 포함하지 않고 있다. 한편, 수치해석 을 통한 악취물질의 거동연구는 다성분 냄새의 상승 또는 상쇄와 같은 복합작용에 의한 감지효과까지 계산 해내지 못하는 한계가 있는 바, 단일성분의 최소감지 농도값들을 복합악취의 세기로서 표현할 수 있는 모델 들이 지속적으로 개발될 필요가 있다(Park et al., 2013).