1조 고깃집살려조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 후드 개량 및 집진기를 이용한 고기구이 음식점의 배출가스 저감

영문 : Reducing Emissions at Meat Restaurants by Baghouse and Improved Hood

과제 팀명

고깃집살려조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 목**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 지난겨울 미세먼지와 초미세먼지가 거듭 높은 수치를 기록하면서 미세먼지에 대한 문제 인식과 관심이 전국적으로 확산되면서 실내 대기질 문제도 대두되고 있다. 국내 고기 조리방식은 주로 구이 형태에 의해 소비가 이루어지며, 고기구이 음식점에서 직화구이로 조리가 이루어지고 있다. 고기구이 음식점의 배출 가스는 전체 미세먼지 농도에서 적은 비중을 차지하지만 발생원 가까이에서 노출되는 경우가 많기 때문에 인체에 미치는 영향이 더 커질 수 있다. 또한 고기구이 음식점의 대부분은 도심에 위치하고 있어 인근 주민들로부터 민원이 발생하는 경우도 증가하고 있다. 이에 따라 인근 주민들과 음식점 이용 고객들의 피해를 최소화할 수 있는 해결방안을 모색하는 것을 주된 과제로 본 설계를 진행하였다. 
 국내 고기구이 음식점의 현황을 고려하여 중형, 소형 고기구이 음식점을 설계 대상으로 선정하였고, 작은 점포에도 설치할 수 있는 배출가스 저감 장치를 설계하고 비전문 인력인 음식점주가 유지, 관리할 수 있는 설비를 구축하는 것을 목표로 하였다. 본 설계에서는 이와 같은 목표 달성을 위해 후드 내부 개량 및 유증기 포집을 위한 필터와 후단 배기구 근처에 카트리지 형식을 도입한 여과 집진장치를 설치하고자 한다. 이러한 장치를 설계함으로써 중·소형 고기구이 음식점에서 발생하는 배출가스 저감뿐만 아니라 고기구이 과정에서 발생하는 악취저감 성과를 도모한다.

개발 과제의 배경 및 효과

가. 개발 과제의 배경

 최근 고농도의 미세먼지와 초미세먼지로 인한 문제가 끊임없이 발생하고 있다. 일반적으로 이런 사례는 중국에서 오염 물질이 건너온 상태에서 대기가 정체하여 오염물질 농도가 높아지면서 발생하는 경우가 대부분으로 알려져 있다. 이렇듯 미세먼지 농도가 지속적으로 ‘나쁨’ 상태로 나타남에 따라 대기오염 문제에 관심이 집중되고 있지만 반드시 대기오염뿐만이 아닌 일상생활에서, 특히 고기구이 음식점에서 고농도의 미세 먼지에 노출될 수 있는 환경이 조성되어 주의가 필요하다는 주장이 제기되고 있다. 
 국내의 대기오염물질 배출량은 환경부 국립환경과학원(CAPSS)에서 매년 산정하고 있으며, 생물성연소는 2011년부터 산정하고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 및 생활폐기물의 노천소각, 나무 등을 연료로 쓰는 아궁이, 화목난로와 보일러, 고기구이, 숯가마에서의 숯 굽기 등을 포함하는 배출원이다. 이와 같은 연소는 대부분 적절한 관리가 이루어지지 않기 때문에 불완전 연소가 수반되어 대기오염물질이 다량 배출된다.

 [표 1]의 생물성연소의 배출량을 살펴보면 CO, VOC, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 232,457톤/년, 86,103톤/년, 14,554톤/년, 12,061톤/년으로 나타났다. 이 중 고기구이에 의한 배출량에 해당하는 CO, NOX, SOX 배출량은 매우 적은 것으로 나타났으며, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지하는 것으로 나타났다. 
 고기구이에서 발생하는 블랙카본을 포함한 미세먼지는 다환방향족 탄화수소류이나 중금속과 같은 발암물질도 포함하고 있어 배출 단계에서 제어가 필요하다. 아직 우리나라에는 법규뿐만 아니라 고기구기 음식점에서 환기구나 후드 사용 의무화에 대한 규정조차 없기 때문에 대부분의 음식점에서는 송풍기를 통한 단순 환기나 확산을 통해 실내에서 발생하는 물질들을 그대로 배출하고 있어 문제가 발생하고 있다. 
 국내 대형 고기구이 음식점에서는 미세먼지 저감장치로 대부분 전기집진장치를 설치해 사용하고 있다. 전기집진장치의 경우 미세입자를 제거하는 효율이 좋지만 장치 가격이 고가이고 장치가 커서 넓은 공간을 필요로 한다는 단점이 있다. 비용 상의 한계와 공간 부족으로 인해 소규모 음식점에서 미세먼지 저감장치를 설치하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 본 설계를 통해 고기구이 조리과정에서 발생하는 미세먼지를 보다 저렴한 가격에 사용하고 좁은 면적에도 설치할 수 있는 집진장치를 설계하고자 한다.

나. 개발 과제의 효과

 본 설계를 통해 소규모 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지를 제거할 때 전기집진장치의 효율을 유지하면서 상대적으로 저가이고 소규모인 장치를 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 장기적으로는 소규모 사업자의 경제적 부담을 덜어주고 미세먼지에 장기간 노출된 사람들의 급성 및 만성 조기사망, 구체적으로는 심장혈관 및 호흡기 질환으로 인한 사망률을 낮추는데 기여할 것으로 예상한다. 이후 고기구이 음식점의 환기구나 후드 사용에 관한 규제가 신설되면 소규모 음식점에서 사용할 수 있는 기술로 관련 시장에서 경제성을 가질 수 있을 것으로 기대한다.

개발 과제의 목표와 내용

가. 개발 과제의 목표

본 설계를 통해 미세먼지를 포함하여 직화구이에서 발생하는 유증기 및 유해가스, 그리고 생활에 전반적으로 크게 영향을 미치는 악취의 제거가 주목표이다.

나. 개발 과제의 내용

 국내에서 사용되고 있는 집진장치로는 ‘원심력집진장치, 여과 집진장치, 전기집진장치’가 있으며, 악취저감 방법으로 ‘활성탄 및 오존 사용’이 있다. 본 설계의 목표에 부합하는 배출가스 처리방법을 도입하기 위한 조합형 저감 장치의 특징은 다음 [표 2]와 같다.

 저감장치의 선정에 있어 본 설계는 중소형 음식점을 설계대상으로 진행하여 초기 설치비가 비싼 전기집진기를 도입하는 것은 무리가 있다. 고기구이 음식점의 특성상, 고기구이 과정에서 발생하는 유증기에 의해 기름이 활성탄에 유입될 시 악취저감 효과가 낮아질 우려가 있다.
 전처리 시설을 포함한 여과 집진장치의 경우 필터의 주기적인 교체가 필요하다는 단점이 있지만, 전기집진기 대비 비교적 저렴하게 도입할 수 있다는 점과  유증기의 포집을 통해 여과 집진장치의 효율 저감을 방지할 수 있다는 장점이 있어 기름받이후드와 여과집진장치를 결합한 설비를 도입하고자 한다.

관련 기술의 현황

State of art

기술 로드맵

 환경부에서 2017년 발간한 「음식점 대기시설 개선 시범사업」 최종보고서에 따르면 국내 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지와 악취에 대한 민원이 증가면서 생물성 연소 배출원의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 대부분의 음식점은 도심에 위치하고 있고 건물주와 음식점주가 임대계약을 통해 운영되기 때문에 저감시설 설치와 원활한 관리를 위해서는 충분한 설치 장소를 건물주 등과 합의하에 진행하여야 한다. 또한 음식점 미세먼지·악취 저감시설 선정 및 설치 시 저감시설의 운영의 편리성, 음식점과 주거지와의 인접성, 고기 사용량, 설치 가능한 공간, 전기용량 등의 여건이 고려되어야 하며, 음식점의 경제적 여건, 설치 공간 확보여부, 건물주와의 계약관계 등을 감안하여 단계적인 접근이 필요할 것이라는 연구결과가 제시되었다.
 배출가스 저감 장치 유지관리가 비전문 인력인 자영업자에 의해 이루어진다는 점을 고려하여 해당 과제의 핵심기술로 ‘직화구이 배출가스 유해물질 저감기술’, ‘저감장치의 소형화 기술’ 그리고 ‘유지관리 매뉴얼’을 제시하였다. 연구 기간의 경우 우선적으로 수도권에 해당 장치를 설치하는 것을 목표로 하여 ‘2차 수도권 대기환경관리 기본계획[2015-2024]’이 종료되는 시점 전까지 해당 기술을 개발하도록 기간을 설정하고 새로운 대기환경 관리 기본계획에 따른 규제 대응을 반영할 수 있도록 하였다.

특허조사

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

가. 전기집진기(모델명 : TS-213, 제조사 : 엔아이티 코리아)

 작은 공간에 설치가 용이하며 공간대비 높은 효율의 집진효율을 자랑한다. 국내 유일한 원통형 구조의 집진 셀 구조를 이용하여 안정성을 확보하였고, MPS 고전압 컨트롤 시스템을 통한 고효율의 전기 집진기 이다. 플라즈마 반응을 이용하여 입자상 유해물질을 제거하는 만큼 고효율의 성능을 자랑하지만, 그만큼 필요한 전력은 1,523W에 달하는 고전압의 설비가 필요하다. 모델의 대상도 중소형 사업장이나 대형 식당인 만큼 일반적인 사업장에서 사용하기에는 경제적으로 부담이 되는 모델이다. 

나. 전기집진기(모델명 : web series, 제조사 : 우양이엔지)

 전처리 과정에서 필터를 이용하여 입경이 비교적 큰 입자를 포집하고, 미세한 입자는 Ionizer에서 대전시켜 미분자가 정전필터에서 포집되는 원리를 이용한 전기 집진기 이다. 기존의 집진기와는 전처리 필터를 통해 입경이 큰 입자를 먼저 처리 하여 대상의 범위를 축소 시켜 포집 시켰다는 점에서 다른 경쟁 제품들과 차별 점을 두었다. 플라즈마 코어를 사용하지 않아도 0.01㎛입자를 처리하는데 98%의 처리 효율을 나타내어, 비교적 큰 전압이 필요한 것은 동일하나 앞서 제시한 TS-213모델보다는 전압에 대한 부담이 적을 것으로 판단된다. 

다. 여과 및 전기집진기(숯불구이 연기 및 냄새제거기(Zero Star-시리즈), 제조사 : 우양이엔지)

 숯불구이에서 발생하는 연기 및 악취를 특수 여과재를 이용하여 필터에 분사, 흡착시킴으로서 여과효율을 높인 제품이다. 전기를 통해 작동하기는 하지만 주요 기능은 어디까지나 필터표면에 특수한 여과재를 자동으로 적층시키는 것으로서 운전이 정지하고 나면 자동으로 탈진 운전을 시행하도록 시스템 되어 있어, 여과 필터를 장기간 사용할 수 있도록 한 제품이다. 주로 음식점에서 사용되는 제품이다. 여과 집진기로서 비교적 높은 효율을 가지고 있으나, 여과재를 주기적으로 교체해야 한다는 점, 그리고 기기 자체의 크기가 너무 크기 때문에 소형 음식점에서 사용하기에는 적합하지 않다는 단점이 있다.

라. 전기집진기(모델명 : YEC-series, 제조사 : YHB에코사)

 소형 전기 집진기로 공장과 작업장을 대상으로 판매되는 제품이며, 소형화를 통해 기존의 전기집진기보다 공간의 확보가 용이하고 처리해야할 유량에 따라 사이즈 별로 제공하고 있다. 필요한 소비 전류와 전력량을 살펴보면, 기존의 대형화된 전기집진기보다 필요한 전력량이 감소한 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 최대 450W가 필요한 모델의 경우 경제적으로 따지게 되면 대상으로 삼은 중, 소형 직화구이 점포에서 사용하기에는 여전히 부담스러운 전력량일 뿐만 아니라, 안전성의 문제도 간과할 수 없다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 소형화

 집진기의 크기를 결정하는 요소는 배출가스의 종류와 시설의 규모에 따른 풍량이 대표적이다. 그 중에서 본 설계의 핵심적 고려사항은 시설 규모에 맞춘 집진기 크기를 결정하는 것이다. 이에 따라 설계계획 시 해당 음식점 규모 및 설치공간의 여유에 따른 맞춤설계가 필요할 것으로 보이며, 기존 산업용 여과 집진기 대비 소형화된 설비를 도입함으로써 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

2. 고효율 달성

 여과 집진기는 전기집진기와 함께 집진설비 중에서도 고효율을 자랑하고 있다. 그러나 설비를 도입하고자 하는 시설이 유증기가 많이 발생하는 생물성연소를 포함한 직화구이 음식점인 만큼 여과재에 많은 부담이 가게 되고 이는 필터의 잦은 교체로 인한 비용 상승이나 집진효율의 하락으로 이어진다. 이를 해결하기 위해 후드개량 및 유증기 전처리를 통해 90%이상의 집진효율을 달성하는 것이 목표이다.

3. 안전성

 기존에 많이 사용되고 있는 장비인 전기집진장치는 코로나 방전을 이용한 것으로 고전압과 함께 간헐적으로 오존이 발생하는 등의 문제로 안전설비가 요구된다. 반면 본 설계에서 도입하고자 하는 여과 집진장치는 기존 대비 안전성이 우수하며, 추가적으로 후드개량 및 필터를 통한 유증기의 저감을 통한 화재예방의 효과도 기대할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

1. 국비지원(직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 제도)

 10개 시,군, 각 2개소로 부천 안산, 평택, 화성, 군포, 오산, 하남, 남양주, 포천, 연천 등을 대상으로 200㎡, 약 60평 이상의 직화구이 음식점 또는 200㎡ 미만이더라도 연기 악취 등 민원사례가 발생한 곳이라면 지원 가능한 제도로, 미세먼지 90%이상, 악취 70%이상의 저감 효율을 보이는 업체를 대상으로 도, 시, 군에서 보조금을 지원받아 설치할 수 있다. 

2. 민원해결 및 주민복지향상

 Jtbc 뉴스에 따르면 음식점 관련 생활악취 환경부 민원 건수는 2년 만에 3배 넘게 증가하였다. 앞에서 언급한 지원 제도의 대상자가 되더라도 대다수의 설치비용은 1,000만 원 이상인 것으로 나타났고, 영세한 상인들이 부담하기에는 여전히 큰 금액이기 때문에 효율과 경제성의 최적의 수치를 구현할 수 있다면 영세 상인들과 주변주민들 간의 문제도 해결될 가능성이 높다고 판단된다. 

3. 인체노출 감소

 생물성 연소의 PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성 연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지한다. 생물성 연소로 인해 배출되는 미세먼지 농도는 전체 미세먼지 농도에서 큰 비중을 차지하지는 않지만 고기구이 음식점의 경우 발생원 가까이에 노출되는 특성이 있으므로 이에 대한 처리가 가능할 경우 직접적으로 배출되는 미세먼지와 악취에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

구성원 및 추진체계

◇ 목승균 – 자료수집 및 총괄 담당
◇ 채병권 – 자료수집 및 보고서 제작 담당
◇ 이용민 – 자료수집 및 기술개발 담당
◇ 이지원 – 자료수집 및 경제성 분석 담당

설계

설계사양

제품 요구사항

 본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 [표 3]과 같이 정리하였다. 항목에 따라 반드시 고려할 사항은 D, 상황에 맞게 고려할 사항은 W로 표기하였다. 각 요구사항에 대한 설명은 아래의 [표 4]에 기재하였다.

개념설계안

[파일]

‘후드 개량 및 집진기를 이용한 고기구이 음식점의 배출가스 저감’ 과제의 해결을 위한 개념설계안은 다음과 같다.

(1) 배출가스 저감을 도모하고자 하는 공간에 적합한 환기방식 및 최소환기량을 산정한다.
(2) 배출가스 저감 시설 도입 공간의 급기구와 배기구의 위치를 결정에 따라 덕트의 경로가 결정된다. 이때 실내 구조에 따라 결정된 덕트 경로에서 덕트의 크기 및 덕트의 연결을 위한 부속기구에 
    따라 덕트 내 저항을 산출할 수 있다.
(3) 배출가스 저감 방식으로는 사전에 진행된 개념설계 과정에서 채택된 후드 개량을 통한 기름받이 후드와 여과 집진 시설을 도입한다.
(4) 배출가스 저감을 위한 시설에서의 총 손실압력을 산출하여 최종적으로 환기에 필요한 송풍기 사양을 결정한다.

이론적 계산

최소 필요환기량 계산

 환기 방식은 공기를 움직이게 하는 구동력인 압력의 차를 일으킬 때 기계력에 의존하는지의 여부에 따라 기계력에 의존 여부에 따라 기계 환기, 자연 환기로 분류한다. 자연 환기의 경우 기계동력을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절약의 관점에서 유리하지만 환기량이 불안정하고 제어하기 곤란하다는 단점이 있다. 따라서 본 설계에서는 기계 환기를 이용하여 고기구이 음식점 내부의 공기를 환기하도록 설계한다.
 제 3종 기계 환기는 배풍기만을 써서 실내로부터 공기를 빼내고, 급기는 자연에 맡기는 방법으로 실내로부터 공기를 빼내 실내의 압력은 외부보다 작아진다. 따라서 배기구 외에는 공기가 외부로 유출되지 않는다. 이에 본 과제에서는 효율적인 배출가스 포집을 위해 제 3종 기계 환기를 채택하였다.
 제 3종 기계 환기의 필요환기량을 계산하는 기준으로는 오염물의 허용농도를 많이 이용하고 있다. 실내의 어떤 오염물의 허용농도를 Pa[%]로 하고, 외기의 오염물 농도를 P0[%]로 한다. 또 실내에서 발생하는 오염물이 차지하는 양을 K[m3/h], 환기량 Q[m3/h]로 한다. 

오염물농도의 물질수지에 의해 오염물을 허용농도 이하로 억제하기 위한 필요환기량은 다음과 같다.

[파일]

 [실내공기질 관리법 시행규칙-별표2]에 따라 이산화탄소 배출 허용 농도인 1000ppm을 공기오염물질 농도로 설정하였으며 오염 물질 발생량은 평상시 어른 1인당 이산화탄소 배출량인 0.021[m3/h]를 적용하였다. 외기오염물 농도인 실외 공간의 이산화탄소 농도는 기상청-종합 기후변화감시정보 시스템을 기반으로 400ppm으로 지정하였다.
 이에 성인 1인당 필요환기량을 계산하는 과정은 다음과 같다.

[파일]

 이때 가정한 음식점의 테이블 수는 10개이며, 4인 테이블을 기준으로 하고 음식점에서 일하는 종업원의 수를 고려할 경우 최대 50명의 인원이 동 시간대에 음식점에 체류한다고 가정할 경우 최소 필요환기량은 다음과 같다.

[파일]

조립도

조립도

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

1. 설계 과정에 있어 적용하고 하는 설비의 규모 및 성능과 직결되는 것은 각 업장에서 발생하는 실제 배출 가스량으로 실제 설계 과정에서는 이를 고려하여 설계를 진행하여야 한다. 그러나 본 설계에서는 음식점 별 배출가스량 산정을 진행할 수 없어 음식점 시설 규모에 따른 최소 흡입량을 산정하였다. 음식점 시설 규모가 큼에 따라 수용가능한 인원이 증가하므로, 시설규모와 배출 가스량은 비례한다고 보았으나 보다 정확한 설계사양 산정을 위해서는 실 배출 가스량을 고려하는 것이 더 바람직할 것으로 고려된다.
2. 환기량은 목적, 대상 및 환기방식에 따라 산정하여야 한다. 필요환기량의 경우 현재 국내에서는 「실내공기질 관리법」에 따라 규제 대상 시설의 경우 사용인원 당 필요환기량이 규제되어있다. 본 설계 과정에 있어서는 적용하고자 하는 시설인 고기구이 음식점의 경우 규제 대상이 아니므로 「실내공기질 관리법」에 따른 설계사양 산정에 적합하지 않아 대안적인 방법을 사용하였다. 주요 저감 목표로 하는 미세 먼지량을 기준으로 1인당 최소 필요 환기량 산정을 진행해야 했지만, 미세 먼지 배출허용기준 부재 및 실외 미세먼지 농도의 가변성 등으로 인해 적용에 한계가 있어 대안으로 이산화탄소 농도를 기준을 적용하였다. 이산화탄소의 경우, 미세먼지에 비해 인체에 미치는 영향이 비교적 많이 알려져 있으며, 실내 환기기준으로 사용하고 있어 이를 적용하였다. 이에 향후 과제 진행에 있어서는 미세먼지 발생량을 기준으로 하는 환기량 산정이 필요할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1) 국립환경과학원(2015) CAPSS 배출자료

2) 수도권대기환경청 안재현(2018) 수도권 대기오염 및 미세먼지로 인한 인체 위해성 저감방안 연구

3) 조선일보 윤수정(2019) “고기 구운 지 10분, 초미세먼지 농도 97→1013으로 뛰었다.”

4) 조현지(2017), 육류 직화구이에서 발생하는 유증기 미세입자 및 악취제어를 위한 저온 플라즈마의 작용

5) 김동영(2010), 직화구이 음식점에 의한 대기환경문제 개선 방안, Policy Brief, 1-13

6) 정동균(2017), 사이클론의 vortex finder 구조에 따른 미세먼지 집진효율에 관한 연구

7) 이영식, 전형주, 한형균, 정정조(2013) 오존발생기와 저온 유전체장벽 플라즈마를 이용한 오존발생 및 살균력

8) 농림수산식품교육문화정보원 농식품백과사전 작물농업 > 농기자재/비료

9) 환경부(2017), 음식점 대기시설 개선 연구용역 최종보고서

10) 김영민 외 1(2016), 식품 조리로 인한 실내공기오염 현황과 과제

11) 환경부 수도권대기환경청(2017), 2차 수도권 대기환경관리 기본계획 변경계획

12) 공개특허공보 제10-2017-0140886호(2017.12.22.) “유증기의 유류 제거장치”

13) 공개특허공보 제10-2018-0045713호(2018.05.04.) “직화구이용 미세먼지 저감장치”

14) 등록특허공보 제10-0980419호(2010.08.31.) “악취제거장치”

15) 각 시 도청의 환경 관리 부처, 직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 사업 공고

16) JTBC 임지수, “고깃집 연기·냄새에 칼부림까지…주민과의 갈등 ‘활활’”

17) (주)해영([1]), 활성탄 흡착기술

18) (주)삼천리카보텍 활성탄 흡착활용 및 용도[2]

관련특허

1) 공개특허공보 제10-2014-0082166호, “점착제를 이용한 배기후드용 위생필터” 2014.07.02.

2) 등록특허공보 제10-1787478호(2017.10.12.) "후드 기름받이용 필터“