"털어서 먼지 안 나오는 조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 18일 (수) 21:26 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도심 건설현장 비산먼지 저감을 위한 미분사식 순환형 시스템 개발

영문 : Development of Fine-spray Circulation System for reducing Fugitive Dust at Urban Construction Sites

과제 팀명

털어서 먼지 안 나오는 조

지도교수

000 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 윤*

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 최근 국내의 미세먼지 농도가 강화되어 이에 대한 문제 인식이 확산되면서 미세먼지를 저감할 수 있는 방안이 많이 제시되고 있다. 기상현상에 의해 유입되는 미세먼지는 국내 해결이 어렵기 때문에 현재는 국내에서 발생하는 미세먼지를 저감하는 것이 주로 이루어지고 있다. 
미세먼지 발생원인 중 건설 및 철거 현장은 PM10 배출량의 약 22%로 많은 비중을 차지하고 있다. 이에, 본 과제에서는 “도심 속 건설현장에서 발생하는 집중형 및 분산형 비산먼지의 현장 제거 및 외부 확산∙이탈 방지 장치 개발”을 통해 건설 현장 근로자와 인근 주민들의 건강 및 민원 및 고려하는 해결방안을 모색하고자 한다.

[[파일:]]====개발 과제의 배경 및 효과====

◆ 인구와 산업, 교통량 등이 밀집한 도심지의 배출 오염원 특성 및 형상이 다원화되고 최근 “미세먼지”에 관련한 대국민 관심도가 높아지는 가운데 효과적인 정부 정책 및 대책 마련의 필요성이 커지고 있다. 2014년 대기환경보전법 개정으로 미세먼지로부터 국민 건강 보호를 위해 대대적 언론 보도가 시작되었고, 미세먼지에 대한 시민들의 관심도가 증가했다.

◆ 현행 ‘대기환경보전법’에서 미세먼지 중 일정한 배출구 없이 대기 중에 직접 배출되는 미세먼지를 ‘비산먼지’라고 총칭하고 있으며 도시에서 발생하는 비산먼지의 22%가 건설업에서 발생한다.

◆ ‘건설 현장(재개발과 재건축, 대형건물의 신축공사 등)’에서 발생하는 비산먼지에 대한 시민들의 피해 및 민원 발생이 증가하고 있으며 사업장마다 관리 강화를 통한 쾌적한 환경조성의 필요성이 대두되고 있다.

◆ 이에 본 연구의 선행조사로 건설사업장마다 방진벽, 방진 덮개, 살수 시설, 세륜 시설 등 비산먼지에 대한 지속적인 관리방안이 연구되고 있음을 확인하였으나 비산먼지를 원천적이고 장기적으로 관리하는 시설은 아니다.

◆ 건설현장의 비산먼지는 주로 1) 건설 장비의 이동 및 적재물의 상역과 하역 등 미세먼지의 발생 위치가 설비에 집중된 집중형 비산먼지 발생, 2) 공사 도중에 동시다발적이고 국소적으로 여러 곳에서 발생하는 분산형 비산먼지 발생으로 나누어질 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

본 설계의 목적은 “도심 속 건설현장에서 발생하는 집중형 및 분산형 비산먼지의 현장 제거 및 외부 확산∙이탈 방지 기술 연구 및 개발”이다.

관련 기술의 현황

State of art

 최근 건설현장의 비산먼지가 미세먼지 발생 원인에서 차지하는 비중이 높다는 것을 인식하여 비산먼지를 처리하기 위해 여러 종류의 저감 장치를 사용하고 있다. 비산먼지를 제거하는 기술은 근본적으로 일반 미세먼지를 저감하는 방법과 동일하다. 이 중 단순 살수는 제외하고 설계할 장치에 대한 내부 기술인 집진기술 중 미세먼지 처리에 적합한 여과집진장치, 세정집진장치, 전기집진장치 기술을 조사하였다.

1. 여과 집진장치 (Bag housefilter)

입자를 포함한 가스가 여과재를 통과 할 때 여과재가 장벽으로 작용하여 통과하는 공기의 먼지를 분리해 제거하는 기술이다. 여과포의 종류로는 목면, 나일론, 흑연 등이 있으며 내열성, 내구성, 내산성, 비흡수성을 고려해야 한다. 집진 메커니즘으로는 관성충돌, 직접차단, 확산이 있다. 크기가 0.1μm 이하인 미세한 입자는 주로 확산작용에 의해 포집되고 이보다 큰 입자는 주로 관성충돌, 차단작용을 통해 제거된다. 탈진방식에 의해 진동형, 역기류형, 충격제트형으로 나뉜다.

2. 세정집진장치 (Wet scrubber)

처리가스에 물을 분사하거나 얇은 액체막에 통과시켜 가스 내의 미세먼지를 제거하는 장치. 액체에 입자가 충돌 하면 미립자가 확산됨에 따라 액체와 쉽게 접촉한다. 이 때 배기의 습기 증가로 입자가 서로 응집하고, 응집한 입자는 응결핵으로 작용하여 응집성을 촉진시킨다. 세정집진장치에서 물방울과 분진은 관성충돌, 직접흡수 및 확산 3가지 방식이 개별 또는 복합적으로 이루어지는데 비교적 큰 입자상 물질 처리에만 이루어진다는 단점이 있다. 그러나 가연성, 폭발성 먼지를 처리할 수 있고 단일장치에서 가스흡수와 분진포집이 동시에 가능한 것이 장점이다.

3. 전기집진장치 (Electrostatic precipitators)

장치를 통과하는 가스의 흐름을 최소한으로 방해하는 정도로 유도 된 정전기 전하의 힘을 사용해 흐르는 가스에서 먼지 및 연기와 같은 미세 입자를 제거하는 여과 장치. 최근에 이용이 증가하고 있는 장치로,  유입공기의 이온화, 오염물질의 대전, 이동, 오염물 포집, 부착물제거 및 청정가스 배출의 과정으로 구성된다. 집진 전극판에 부착된 먼지 입자는 물리적 충격을 주어 분리하며 입경이 0.05μm인 미세먼지 즉 PM0.05까지 제거 가능하다. 
미세입자에 대한 집진효율이 높고 낮은 압력손실로 대량가스처리가 가능한 것이 특징이다. 또한 광범위한 운도범위에서 설계가 가능하고 흐르는 유체 매체에 직접 에너지를 공급하는 습식 세정기와는 달리, 전기집진장치는 수집되는 입자상 물질에만 에너지를 적용하므로 에너지 소비에서 매우 효율적이다.

4. 전기 집진 장치 관련 최신 기술 – 무필터 제거장치

전기집진 장치의 필터는 현재 세라믹이나 금속 섬유 등을 불규칙적으로 배열해 만들고 있다. 그러나 처리 효율을 유지하기 위해서는 매년 10만원 가량인 HEPA필터를 교체해야하는 경제적 부담이 있다. 이에 따라 무필터로 PM 2.5를 제거할 수 있는 기술이 연구되고 있다. 
미래창조과학부의 '초미세먼지 피해저감 사업단' 에서 물과 관성의 법칙을 이용한 ‘무필터’ 초미세먼지 정화장치를 연구하고 있다. 이 방식은 입자를 키우는 것이 핵심으로 물을 이용해 초미세먼지 입자를 키운 뒤(응축성장) ‘관성충돌’을 통해 제거판에 집진하는 것이 목표이다. 관성충돌을 하면 매개체 흐름에 따라 움직이는 입자가 관성 때문에 곡선의 유선을 쫓아가지 못하고 매개체 표면에서 벗어나게 된다. 이 때 초미세먼지의 경우 매개체 흐름에 상관없이 불규칙하게 움직이는 '브라운 운동'을 하기 때문에 관성충돌 제거방식이 불가능한데, 입자를 키워 이 방식을 적용하는 것이다. 아울러 지금처럼 초미세먼지 전체농도만 파악하는 게 아니라 세부 화학성분까지 알 수 있는 기술이 개발 단계에 있다.

기술 로드맵

2017년에 발간된 「미세먼지 관리 종합대책」에서 ‘미세먼지 국내 배출량 30% 저감’의 목표를 달성하는 해인 ‘2022년’까지 기술 개발을 진행하고, 그 이후 새로운 목표를 달성할 수 있도록 비산먼지 저감 장치 개발 기간을 (2019년-2022년)으로 설정하였다. 
또한, 2017년에 발간된 「비산먼지 관리 선진화 방안 연구」에 따르면 현재는 살수만을 단독으로 사용하거나 흡입 청소차에 필터를 장착하여 처리하고 있으나, 경제성과 효율성을 갖춘 상용화 기술 전무한 상태이다. 
저감 효율을 향상시키고, 경제적인 장치 개발을 위해 첫 번째로, 건설현장 별 주요 배출 물질 파악 목표를 제시하였다. 물 분사 각도, 분사 직경, 분사 압력, 흡입 압력 등 적절한 설계의 조건 설정을 통해 저감 효율과 경제성을 향상시킬 수 있다. 
두 번째로, 기존에 존재하는 요소기술을 향상하고, 통합하여 궁극적으로는 공기 순환의 시스템을 형성하여 비산먼지 저감률을 향상하고자 한다.  
세 번째로, 건설 현장 건물 내부나 좁은 구역에서도 비산먼지 저감을 위해 장치를 조립식으로 제작하고, 소형화 기술 목표를 제시하였다. 
마지막으로, 상용화 이후 장치 작동법과 장치 내부 필터 교체에 관한 매뉴얼을 통해 건설현장에서 작업자가 장치를 올바르게 사용할 수 있도록 매뉴얼 구축을 제시하였다.

특허조사

내용 2.3.1 비산먼지 발생 억제용 살수장치 (출원번호: 1020180036489, 출원일자: 2018/07/25 )

비산먼지가 발생하는 자재를 임시로 한데에 쌓아 두는 야적장위에서 바람의 영향을 최소화하면서 넓은 면적 및 자재 전면에 균등하게 유체를 분사하여 비산먼지의 발생을 억제하는 살수장치이다. 스프레이 노즐이 장착된 암 파이프 및 상기 급수관을 통해 유체를 공급하여 비산먼지 발생 억제를 한다.

2.3.2 저장탱크용 도류벽 구조 (출원번호: 2020040029781, 출원일자: 2004/10/21) 웨이브 구조를 도류벽에 적용함에 따라 도류벽의 연장 길이에 변화가 없어도 팽출된 곡면부의 원호길이 만큼 상대적으로 연장된 물과의 접촉면을 제공한다. 따라서 물과 소독제의 접촉시간을 길게 유지할 수 있으며, 물의 흐름에 웨이브를 주어 약제의 희석 성능(CT값)을 극대화시킬 수 있는 저장탱크용 도류벽 구조이다.

2.3.3 공사장용 분진 집진장치 (출원번호 : 1020170181229, 출원일자: 2018/07/25) 분진을 포함하는 주변공기를 흡입하는 흡입 장치이다. 물을 분사하는 살수부와, 물을 빨아올려 살수부로 전달하는 펌프로 구성된 집진기와, 공기를 흡입하고 배출하는 송풍기가 설치되어 있다. 또한, 주름관은 집진기 및 송풍기에 착탈 가능하게 설치되어 주변공기가 이동할 수 있게 통로로 이용된다.

특허전략

◆ 기존에 출원되었던 특허자료와 거절된 특허를 조사하여 주요 타겟 기술 (도류벽, 살수장치, 분진흡입장치 등)의 특허 DB를 구축한다.
◆ 본 설계에는 건설현장의 물에 흡착된 비산먼지를 처리하기 위해 도류벽을 사용 한다는 것이 최근 특허들과의 큰 차이점이다. 물을 재이용한다는 점을 장점으로 하여 추후 이를 극대화할 수 있는 방안을 모색한다.
◆ 도류벽을 통한 저감 효과를 더 높일 수 있는 설계를 하여 기존의 방법과 더욱 차별화를 하고 이외에도 새롭게 고려할 것이 있는지 연구한다.
◆ 건설재의 성분에 따라 미세먼지 성분이 변하므로 미세먼지가 함유된 폐수  전처리 과정을 설계할 때 각 현장의 특성에 맞게 제시할 수 있게 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◆ 소형화

 본 설계에서는 장치의 소형화와 조립식화를 고려하고 있다. 소형화를 위해 흡입력과 내부 장치에 대한 더 세밀한 설계가 요구될 것으로 생각된다. 또한 건설 현장 규모에 맞는 설계가 필요할 것으로 보인다. 소형화를 통해 설치와 이동 편의성을 확보할 수 있을 것이고 기존 건설현장 대비 소형화된 설비 도입으로 경제성을 높이려고 한다.

◆ 고효율 달성

 단순 살수의 효율은 50%에 불과하지만 본 설계 장치에 사용될 미분사식 살수는 75%의 효율을 갖는다. 또 단순 먼지 침강에 그치지 않고 미세먼지를 함유한 물 입자를 흡수 후 집진 장치를 이용해 먼지를 분리하여 재비산을 방지할 것이다. 이에 우리는 90% 이상의 저감효율을 달성하는 것이 목표로 하고 있다.

◆ 부수적 효과

 살수와 흡입의 복합적인 방법을 동원한 비산먼지 장치에 대한 연구개발 참고자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 공사장 내의 공기 흐름을 파이썬을 이용해 가우시안 플룸 모델로 파악하는 것을 추가로 이용하면 건설 현장 내 설치 장소의 최적화도 진행 할 수 있을 것으로 생각된다.

경제적 및 사회적 파급효과

B/C 분석 결과 값이 3.5정도로 비용대비 편익이 클 것으로 예상되어 경제적인 효과가 있을 것으로 기대된다. 공사장 근로자 분들의 근무환경 개선 및 주변 시민들이 쾌적한 생활에 도움을 주며 이전에 비해 민원 발생률이 감소할 수 있을 것이다. 주변 거주민 및 시민들의 비산먼지 및 유해물질의 직접적인 호흡기 유입을 차단함으로써 시민의 건강을 유지하는데 기여할 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

◆ 과제 업무 분장 계획

◆ 과제 수행 일정 계획

설계

설계사양

◆ 제품 요구사항

이번 설계를 통해 개발하고자 하는 제품의 요구사항을 정리했다. 반드시 만족시켜야 하는 사항은 D, 반드시 만족시켜야 하는 사항은 아니나 희망하는 사항은 W로 표기했다. <표 7>

관련 제품 요구사항에 관한 설명은 다음과 같다. <표 8>

◆ 목적 계통도

본 설계에서 필요한 제품 요구사항을 반영한 목적 계통도는 다음과 같이 나타낼 수 있다. <그림 14>

◆ 설계 모형 본 장치의 본체는 공기 흡입구와 배출구, 노즐이 달린 물 분사 관, 내부에 스크러버 폴링 도류벽이 있는 직육면체 모양이다.<표 9><그림 15>

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

장치의 아크릴 몸통부의 규격은 총 30cm*50cm*50cm이다. 전면에는 경첩을 설치하여 여닫을 수 있도록 하여 장치 내부에 추가적인 조립체를 설치할 수 있도록 했다. 다음은 몸통부의 각 면에 대한 설명이다. <표 15>

소프트웨어 및 회로 설계

내용

[PM 2.5, PM 10] 측정, 측정된 값 화면표시, 펌프 및 송풍기 제어를 위해 아두이노를 사용하였다. 현재 미세먼지 센서로 PM 2.5와 PM 10을 1초 간격으로 측정하고 측정된 값을 LCD 화면에 표시하는 것이 완료된 상태이다. 소프트웨어 코드는 다음과 같다. <그림 5><그림 6>

자재소요서

<표 16> 자재 소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

Pilot-Scale Prototype 사진

포스터

특허출원번호 통지서

특허출원번호 10-2019-0161205

완료 작품의 평가

 13.3 완료 작품의 정량적인 평가

정량적인 평가 결과 가동시간을 늘리면 비산먼지 저감능력이 향상될 것으로 보인다. 그밖에 소음의 문제는 없었고 장치내구도도 우수하다고 판단된다.

1) 대기 중 비산먼지 저감 능력
건설현장에서 비산먼지를 저감시키기 위한 기존 살수장치의 저감능력은 80% 효율을 나타낸다. 그러므로 본 설계 장치의 비산먼지 저감 능력은 90% 이상을 목표로 한다. 이를 평가하기 위해 실험을 진행하였고, 가동시간 15분 동안 52%의 효율을 나타냈으므로 위와 같이 평가하였다.

2) 장치의 경제성
예상 운영비, 제작비, 인건비, 기타 비용 사회적 편익을 고려한 B/C 분석 값을 계산하였고 그 값이 경제적으로 타당성을 가지는 1을 넘으므로 위 표와 같은 결과를 나타낸다.

3) 장치의 소음
현행 소음관리법상 공사장의 소음 규제기준은 주거지역의 경우 주간(오전 7시~오후6시) 65dB, 야간(오후10시~오전5시) 50dB을 넘으면 안 된다. 상업지역의 경우 주간 70dB, 야간 50dB 이하이여야 한다. 따라서 주거지역 주간의 경우를 기준으로 하였고, 목표치는 60dB 이하로 설정하였다. 실험결과 장치 가동 시 약 20dB이 측정되었으므로 위와 같이 평가 하였다.

4) 장치의 최적 가동시간 
장치를 일정시간 이상 계속 가동할 경우 비산먼지는 목표 저감 농도에 도달한 후 그 농도를 유지할 것이다. 따라서 경제성을 고려했을 때 1회 가동 시 최적의 가동시간을 구하여 그 시간만큼 가동시키는 것이 효율적이므로, 이론적으로 구한 최적가동시간을 기준으로 하여 이 가동시간동안 목표효율을 내는지 실제 실험으로 확인 및 평가하였다. 같은 가동시간으로 실험결과 목표 저감 효율에 미달하였으므로 장치의 가동시간은 더 필요한 것으로 판단되어 위와 같이 평가하였다.

5) 장치 내구도 (살수/흡입/도류벽)
실험에서 구한 최적 가동시간 내에 장치가 제대로 작동하는지 내구도를 판단해야 하므로 평가항목으로 삼았다. 장치가 끊임없이 잘 분사/흡입 되면 5점 만점에 5점, 끊김이 존재할 때 마다 1점씩 감점으로 한다. 또한 공기가 도류벽을 통과할 때 수분이 잘 수거가 되는지 시각적으로 확인하여 물 수거 통으로 수거가 되는 그 정도에 따라 수거 전혀 안됨(1점), 물기가 모임(3점), 물기가 상당히 모임(5점) 으로 평가한다. 실험결과 위 표와 같은 결과를 나타낸다.

 13.4 완료 작품의 정성적인 평가

환경공학부 재학생을 대상으로 산업표준, 경제, 환경, 윤리, 안전, 사회, 정치 총 7개 항목을 기준으로 평가를 진행했다. 해당 항목에 대해 0점에서 5점의 점수를 매겨 평가하며 한 항목이라도 0점일 경우 과제가 성립되지 않는 것으로 판단했다. 종합 결과가 3.5 이상일 경우 과제 수행이 잘 된 것이며, 3.5 미만일 경우 결과물을 수정 또는 보완해야 한다. 과제 평가는 과제 수행자를 제외, 환경공학부 학생 24명을 대상으로 진행했으며 그 결과는 다음과 같다.

평가 결과 종합 점수가 4.19점으로 과제 수행이 잘 된 것으로 판단된다. 하지만 경제, 안전 부분에서 타 항목에 비해 점수가 낮게 나왔다. 경제 부분에서는 현재 비산먼지 저감을 위해 사용하고 있는 방식인 단순 살수 방식과 비교했을 때 이 장치를 사용하여 비산먼지를 저감하는 것이 더 비용이 많이 들기 때문에 낮은 점수를 받은 것으로 보인다.
안전 분야에서는 이 장치를 실제로 건설 현장에서 사용 시 살수부 기둥의 무게 과중으로 인한 안전사고의 우려 및 장치 손상 시 장치 내부의 폐수의 유출 우려 문제로 인해 낮은 점수를 받은 것으로 보인다. 충분히 고려할 만한 대상이므로, 이에 대해서 추가적으로 정밀한 분석이 요구된다.

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. 환경부(2017), 비산먼지 관리 선진화 방안연구
2. 환경부(2017),미세먼지 관리 종합대책
3. 씨엔에이기업 집진기술 (2011.09.15.)
4. 미세먼지 관리 기술 동향 (국가환경정보센터 2016.11.28)
5. 이내현, and 김윤신. "연구노트/대규모 공사시 비산먼지 산정 및 확산분석에 관한 연구." 환경영향평가 9.3 (2000): 249-255.
6. 유희종, et al. "건설현장에서 발생하는 비산먼지의 실태 및 영향에 관한 연구." 한국건축시공학최 논문집 제 4권 (2004): 109.
7. 구자건, 강미연, and 서용칠. "건설사업장의 날림먼지 및 소음 저감 기술 적용사례 비교분석." 한국생태환경건축학회 논문집 9.1 (2009): 55-60.
8. 서영화. "건설현장에서 채취한 미세먼지 (PM 10) 의 분석으로 건설현장 오염원 분류표 작성." 환경관리학회지 19.2 (2013): 67-72.
9. 김동주, et al. "GIS 와 CFD 모델을 활용한 건설 현장 방풍벽 설치가 비산 먼지 확산에 미치는 영향 연구." Korean Journal of Remote Sensing 34.5 (2018):763-775.
10. 여인설, et al. "건설현장 세륜폐수 처리장치의 성능평가." 한국수처리학회지 27.3(2019): 13-19.
11. 고용센터 펑사 적합성 판단기준
12. 건축법 시행령 – 국가법령정보센터
13. 국립환경과학원(2008), 비산먼지 배출량 산정방법 개선 및 도로 재비산먼지 실시간 측정방법 개발 보고서
14. Chow, Judith C., et al. "A laboratory resuspension chamber to measure fugitive dust size distributions and chemical compositions."Atmospheric Environment 28.21 (1994): 3463-3481.
15. Vega, E., et al. "Chemical composition of fugitive dust emitters in Mexico City." Atmospheric Environment 35.23 (2001): 4033-4039.
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17. Environmental, Kalestone. "NSW Coal Mining Benchmarking Study: international best practice measures to prevent or minimize emissions of particulate matter from coal mining." Report to NSW Office of Environment and Heritage (2011).
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19. Tawatchi Charinpanitkul. et al. “Deterministic model of open-space dust removal system using water spray nozzle: Effects of polydispersity of water droplet and dust particle“. Separation and Purification Technology 77 (2011): 382–388.
20. Dariusz Prostański. “Use of Air-and-Water Spraying Systems for Improving Dust Control in Mines.” Journal of Sustainable Mining (2013).

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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 Pilot-Scale Prototype 사진
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 ====포스터====