KR102332142B1 - 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 굴뚝에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 미세먼지를 먼지 입자의 크기별로 분리하여 측정하는 방법을 제공하고자 한다. 그러나, 굴뚝에서 배출되는 배기가스에는 굴뚝이 설치된 시설의 공정에 따라 수분과 먼지가 매우 많이 포함되어 있다. 따라서 이러한 수분이 많이 포함된 먼지 입자들이 뭉치거나, 측정 장치에 달라붙어 측정이 부정확해질 수 있고, 높은 먼지 밀도로 측정용 샘플테이프의 공급에도 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여
분지관을 구비한 베타레이방식의 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 이용하여 먼지농도를 낮추어 미세먼지 농도를 정확하게 측정할 수 있는 수단을 제공한다. 이러한 구성에 의하여 굴뚝에서 배출되는 배기가스를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여
분지관을 구비한 베타레이방식의 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 이용하여 먼지농도를 낮추어 미세먼지 농도를 정확하게 측정할 수 있는 수단을 제공한다. 이러한 구성에 의하여 굴뚝에서 배출되는 배기가스를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 화력발전소, 쓰레기 소각장 등의 굴뚝에서 배출되는 미세먼지를 측정하기 위한 기술에 관한 것이다. 더욱, 자세하게는 미세먼지를 정확하게 측정할 수 있는 베타레이를 이용하는 기술에 관한 것이다.
본 발명 이전의 선행기술로는 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정 장치가 개시되어있다. 이 베타레이 기반의 굴뚝 내 미세먼지 측정장치는 굴뚝 내의 배출가스로부터 미세먼지 시료를 채취하도록 구성되는 시료 채취부; 베타레이 소스 및 베타레이 검출기를 활용하며, 굴뚝 내 미세먼지의 양을 측정하도록 구성되는 시료 측정부(30); 및 상기 시료 채취부(10) 및 상기 시료 측정부(30)를 상호 단열시키도록 구성되는 단열부(20)를 포함하는 기술이다.
또 다른 선행기술로는 배기가스 배출원의 유속과 등속으로 샘플을 흡인하기 위하여 흡인노즐의 단면적을 자동 조절하여 배출원의 유속과 등속으로 시료를 흡인하도록 함으로써, 입자상 물질의 관성력에 의한 측정오차를 제거함과 동시에 흡인가스 유량을 16.67ℓ/min의 정속으로 입자상 물질을 입경 분리장치(cascade impactor)로 유입하여 PM10 (Particulate Matter Less than 10㎛) 과 PM2.5(Particulate Matter Less than 2.5㎛) 를 연속적으로 분리하여 자동 측정하는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치와 이를 결합한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템을 개시하고 있다.
대기와는 달리 굴뚝과 같이 유속이 있는 기체로부터 기체에 포함된 입자를 측정하기 위해서는 1차적으로 샘플을 채취하는 과정에서 굴뚝에서 배출되는 다른 기체와 물성이 100% 똑같은 샘플을 채취하여야 한다. 이를 위하여 등속흡인 기술이 필수적이다. 한편, 측정을 위해서는 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 등속으로 유입된 샘플가스를 직접측정할 수 없기 때문에 측정을 위한 전처리가 필수적이다. 이 전처리를 구성하는 방법은 점차개선되고 있으며, 특히 미세먼지와 같이 조건에 따라 측정이 달라질 수 있는 입자를 측정하기 위해서는 더욱 개량된 기술이 전처리 기술이 필요하다.
본 발명은 기존의 굴뚝 배기가스 먼지측정 시스템이, 전체 먼지를 측정하는 방식으로 먼지 입자의 크기를 분리하지 않고 측정하는 방식을 사용하고 있어 이를 개량하여, 굴뚝에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 미세먼지를 먼지 입자의 크기별로 분리하여 측정하는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 굴뚝에서 배출되는 배기가스에는 굴뚝이 설치된 시설의 공정에 따라 수분이 많이 포함된 배기가스가 배출될 수도 있고, 따라서 이러한 수분이 많이 포함된 먼지 입자들이 뭉치거나, 측정 장치에 달라붙어 측정이 부정확해질 수 있는 문제가 있다.
또한, 굴뚝에서 배출되는 배기가스에는 먼지의 양이 일반 대기에 포함된 양과 비교하여 매우 많기 때문에 기존의 방식을 사용하여 측정하는 경우 샘플테이프가 포화되어 측정이 불가능한 경우가 발생하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치에 있어서,
배기가스가 배출되는 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위한 굴뚝압력측정용 굴뚝차압계; 및
상기 굴뚝 내에 설치되는 샘플관; 및
상기 샘플관에 연결되는 샘플파이프; 및
상기 샘플파이프로 상기 굴뚝의 배기가스가 상기 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 동일한 유속으로 흡인되도록 구비된 등속흡인을 위한 샘플유입구 흡인장치; 및
상기 샘플유입구 흡인장치의 흡인속도를 제어하기위한 샘플유입 압력을 측정하기위한 측정부입구압력계; 및
상기 샘플파이프 후단에 구비되어 상기 샘플파이프 청소를 위한 퍼지에어 공급 시 이를 측정부와 차단하기위한 청소용차단밸브; 및
상기 샘플파이프와 연결되어 상기 샘플파이프를 통하여 유입된 배기가스의 온도를 측정에 필요한 온도로 낮추고, 상기 배기가스에 포함된 수분에 의하여 측정 오차가 발생하는 것을 막기위하여 상기 샘플파이프 직경의 2~10 배 사이의 지름을 가지는 확산관; 및
상기 확산관의 배기가스를 배출하는 배출관 및 상기 배출관 내부에 구비되어 상기 확산관의 배기가스 배출압력을 생성하는 측정배출구배출장치; 및
상기 확산관에 유입된 배기가스를 베타레이측정부로 유입하는 측정관; 및 상기 측정관에서 측정하고자 하는 해당 미세먼지를 선별하는 미세먼지선별기; 및
상기 미세먼지선별기에서 선별된 미세먼지를 포집관과 우회관으로 나누는 분지부; 및
상기 포집관은 베타레이 측정을 위한 샘플테이프에서 미세먼지를 포집할수 있도록 연결되며, 우회관을 통과한 배기가스는 필터링하여 배출하며,
상기 포집관과 우회관에는 유량센서와 유량제어밸브를 구비하여, 미세먼지 측정에 사용된 유량을 계산하여 이를 환산하여 굴뚝의 미세먼지량을 계산할 수 있도록 하며,
상기 포집관과 우회관은 다시 합관하여 미세먼지배출파이프로 연결되어 배출되며,
상기 미세먼지선별기로 측정을 위한 배기가스를 흡입하기 위한 압력을 발생하기 위하여 상기 미세먼지배출파이프의 후단에 구비되어 상기 미세먼지선별기가 동작하기위한 정속의 유량을 만들어주는 측정용 정속펌프; 및
상기 샘플테이프를 측정을 위하여 공급하고, 원점을 잡기위하여 되감는 동작을 할 수 있는 샘플테이프 공급모터를 구비한 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 제공한다.
상기 샘플유입구 흡인장치와 상기 측정배출구배출장치는 외부의 공기를 유입하여 파이프 내부로 불어줌으로써 입구부의 배기가스를 압력과 속도차를 이용하여 흡입하는 방식을 사용하며, 상기 굴뚝 배기가스의 높은 온도와 습도를 낮추기위하여 건조되고, 상기 배기가스의 온도보다 설정된 온도 만큼 낮은 온도의 필터링된 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여, 본 발명은 등속으로 굴뚝에서 배출되는 배기가스를 샘플링하고, 확산관에서 샘플링된 배기가스의 속도를 늦추고, 온도를 낮추면서, 상대습도를 낮추어 베타레이 측정에 적합한 배기가스의 상태를 만들어줌으로써 정확하게 굴뚝에서 배출되는 배기가스에 포함된 미세먼지를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전체 시스템 구성도
도 2은 본 발명의 등속흡인을 위한 시스템 압력 계산 및 제어도
도 3은 수작업으로 PM10 및 PM2.5을 측정하는 장치의 미세먼지 분리장치
도 2은 본 발명의 등속흡인을 위한 시스템 압력 계산 및 제어도
도 3은 수작업으로 PM10 및 PM2.5을 측정하는 장치의 미세먼지 분리장치
본 발명의 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치의 작용효과를 도면을 이용하여 설명하면 하기와 같다.
본 발명의 구성 PM10과 PM2.5 측정장치는 그 구성이 동일하여 두 구성을 동시에 설명할 수 있는 구성 명칭을 400번과 500번 대에 기재하고 있다.
도1은 본 발명의 전체 시스템 구성도로 도1을 참조하여 본 발명의 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 설명한다. 굴뚝 내부(100)의 배기가스 유속을 측정하기위한 굴뚝차압계(310)에서 배기가스 압력을 측정하여 굴뚝에서의 배기가스 유속을 측정하여 이를 기준으로 샘플관에서 흡입하는 배기가스의 속도를 결정하여 상기 샘플관에 연결된 샘플파이프 내부에 구비된 샘플입구흡입장치의 흡입압력을 제어한다. 이때 제어된 흡입압력의 피드백제어를 위하여 상기 샘플파이프 내부의 압력을 측정하는 측정부입구압력계를 구비하여 등속흡인압력을 제어한다.
상기 등속흡인을 위한 샘플유입구 흡인장치는 외부의 공기를 유입하여 배기가스 유입구의 반대방향으로 상기 외부공기를 불어냄으로써 상기 배기가스를 유입하게된다. 이때 상기 굴뚝에서 배출되는 배기가스는 고온, 다습 및 이물질을 많이 포함하고 있어, 이를 측정에 적합하도록 조절할 필요가 있다 특히 습기는 측정장치에 영향을 많이주고 상기 배기가스의 온도가 내려갈 경우 먼지들이 뭉쳐지는 역할을 하게되어 제거할 필요가 있다. 그러나 습기를 제거하는 과정에서 배기가스에 포함된 먼지도 같이 제거되어 미세먼지 측정에 오차가 발생할 수 있어 적절한 습기제거 방법이 필요하다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 배기가스 흡입을 위하여 사용하는 외부공기의 성질을 이용하여 이러한 문제를 해결하였다.
상기 샘플유입구 흡인장치에 흡입되는 외부공기는 경우에 따라 습기제거장치, 먼지제거 필터를 통과하여 공급한다. 또한, 상기 배기가스와 온도차를 상기 배기가스의 온도와 습도에 따라 결로가 생기지 않는 범위에서 외부공기를 냉각 또는 가열하여 미세먼지측정에 유리하도록 제어한다.
이렇게 흡입된 배기가스는 확산관(250)을 통과한다. 상기 흡입된 배기가스가 확산관에 유입되면, 속도와 압력이 느려지고 상기 외부공기와 혼합되며 배기가스의 온도가 낮아지고, 습도도 낮아져 측정에 적합한 상태가 된다.
이렇게 속도가 느려지고, 건조된 배기가스는 시간당 5리터를 흡입하는 측정용 정속펌프에 의하여 상기 확산관에 연결된 측정관을 통하여 배기가스가 미세먼지 선별기에서 PM10 또는 PM2.5를 선별하고 이를 샘플테이프에 수집하고 베타레이 측정장치에서 깨끗한 샘플테이프로 0점을 잡고, 상기 미세먼지 선별기에서 선별된 미세먼지가 샘플테이프에 걸러지고 이를 베타레이에서 측정하여 두 측정값의 차이로 먼지의 양을 측정한다. 이는 PM10과 PM2.5 모두 동일하다.
그러나, 굴뚝의 경우 먼지를 포함하는 미세먼지가 많이 포함되어 있어, 샘플테이프가 많이 필요하게되어 유지관리가 문제가 되며, 한편으로는 측정시간을 짧은 주기로 하지 않으면, 측정값이 포화되어 정확한 측정을 할 수 없는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기위하여 포집관(435, 535)과 분지관(436, 536)을 구비하고 일정 비율로 측정용 가스를 분리하여 측정하고 이를 환산하는 방식을 사용하여 상기 샘플테이프의 사용량을 줄이고, 측정 중 포화되어 측정에 오류가 생기는 것을 막을 수 있도록 하였다. 이를 위하여 부가적으로 유량센서를 각각의 관로에 구비하고 유량을 메인제어기에서 제어하는 유량제어밸브를 더 구비하였다. 이러한 구성에 의하여 상기 각각의 입경별 포집관에 모여진 미세먼지를 베타레이 측정기에서 측정하여 미세먼지 농도를 측정한다. 상기 샘플테이프 공급모터는 전후방향으로 움직이며 포집관과 베타레이측정부를 왕복한다.
본 발명의 베타레이 측정 장치를 통과한 공기는 먼지를 모두 필터링한 후, 온도와 습도를 측정한다(미도시). 상기 측정된 온도와 습도로부터 공기의 상대습도를 계산하고, 상기 상대습도가 높아 측정결과에 문제가 있는 것으로 판단되면, 상기 샘플유입구 흡인장치에서 흡인을 위하여 사용하는 외부공기의 온도를 높여 상기 상대습도가 낮아지도록 전체 시스템을 운영할 수 있다.
도2는 본 발명의 흡입압력과 배출압력의 제어구성도 이다. 본 발명의 메인 제어기는 측정을 위한 배기가스의 등속흡인을 위한 제어를 담당한다. 굴뚝 차압계의 압력으로부터 배기가스의 유속을 측정하고, 이 값(Ps)을 기준으로 샘플유입구 흡인장치(Md)의 구동을 제어한다. 이때 구동된 흡인압력을 피드백 제어하기 위하여 측정부입구압력계(Pv)의 측정값을 이용한다. 또한, 정확한 측정을 위하여 측정에 사용한 또는 측정에 사용하고 남은 배기가스는 입력된 양만큼 배출되어야 하므로 이는 측정배출구배출장치(MB)에서 배출된다. 이렇게 제어함으로써 굴뚝 베터레이미세먼지 측정기에 배기가스가 측정을 위하여 유입되고, 배출된다.
도3은 기존의 인력에 의하여 샘플링하고 측정하는 수작업 측정에 사용되는 미세먼지 입자분리장치에 관한 사진이다.
본 발명의 이러한 작용효과를 나타내기 위한 구성은 하기와 같다.
확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치에 있어서,
배기가스가 배출되는 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위한 굴뚝압력측정용 굴뚝차압계; 및
상기 굴뚝 내에 설치되는 샘플관; 및
상기 샘플관에 연결되는 샘플파이프; 및
상기 샘플파이프로 상기 굴뚝의 배기가스가 상기 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 동일한 유속으로 흡인되도록 구비된 등속흡인을 위한 샘플유입구 흡인장치; 및
상기 샘플유입구 흡인장치의 흡인속도를 제어하기위한 샘플유입 압력을 측정하기위한 측정부입구압력계; 및
상기 샘플파이프 후단에 구비되어 상기 샘플파이프 청소를 위한 퍼지에어 공급 시 이를 측정부와 차단하기위한 청소용차단밸브; 및
상기 샘플파이프와 연결되어 상기 샘플파이프를 통하여 유입된 배기가스의 온도를 측정에 필요한 온도로 낮추고, 상기 배기가스에 포함된 수분에 의하여 측정 오차가 발생하는 것을 막기위하여 상기 샘플파이프 직경의 2~10 배 사이의 지름을 가지는 확산관; 및
상기 확산관의 배기가스를 배출하는 배출관 및 상기 배출관 내부에 구비되어 상기 확산관의 배기가스 배출압력을 생성하는 측정배출구배출장치; 및
상기 확산관에 유입된 배기가스를 베타레이측정부로 유입하는 측정관; 및 상기 측정관에서 측정하고자 하는 해당 미세먼지를 선별하는 미세먼지선별기; 및
상기 미세먼지선별기에서 선별된 미세먼지를 포집관과 우회관으로 나누는 분지부; 및
상기 포집관은 베타레이 측정을 위한 샘플테이프에서 미세먼지를 포집할수 있도록 연결되며, 우회관을 통과한 배기가스는 필터링하여 배출하며,
상기 포집관과 우회관에는 유량센서와 유량제어밸브를 구비하여, 미세먼지 측정에 사용된 유량을 계산하여 이를 환산하여 둘뚝의 미세먼지량을 계산할 수 있도록 하며,
상기 포집관과 우회관은 다시 합관하여 미세먼지배출파이프로 연결되어 배출되며,
상기 미세먼지선별기로 측정을 위한 배기가스를 흡입하기 위한 압력을 발생하기 위하여 상기 미세먼지배출파이프의 후단에 구비되어 상기 미세먼지선별기가 동작하기위한 정속의 유량을 만들어주는 측정용 정속펌프; 및
상기 샘플테이프를 측정을 위하여 공급하고, 원점을 잡기위하여 되감는 동작을 할 수 있는 샘플테이프 공급모터를 구비한 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 제공한다.
상기 샘플유입구 흡인장치와 상기 측정배출구배출장치는 외부의 공기를 유입하여 파이프 내부로 불어줌으로써 입구부의 배기가스를 압력과 속도차를 이용하여 흡입하는 방식을 사용하며, 상기 굴뚝 배기가스의 높은 온도와 습도를 낮추기위하여 건조되고, 상기 배기가스의 온도보다 10~100도씨 낮은 온도의 필터링된 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치를 제공한다.
100 : 굴뚝 내부
210 : 샘플관
220 : 샘플파이프
230 : 샘플유입구 흡인장치
240 : 청소용 차단 밸브
250 : 확산관
260 : 측정배출구배출장치
310 : 굴뚝차압계
320 : 측정부입구압력계
410, 510 : 측정관
420, 520 : 미세먼지선별기
430, 530 : 미세먼지 배출파이프
435, 535 : 포집관
436, 536 : 우회관
440, 540 : 베타레이측정부
450, 550 : 측정용 정속펌프
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630 : 샘플테이프
210 : 샘플관
220 : 샘플파이프
230 : 샘플유입구 흡인장치
240 : 청소용 차단 밸브
250 : 확산관
260 : 측정배출구배출장치
310 : 굴뚝차압계
320 : 측정부입구압력계
410, 510 : 측정관
420, 520 : 미세먼지선별기
430, 530 : 미세먼지 배출파이프
435, 535 : 포집관
436, 536 : 우회관
440, 540 : 베타레이측정부
450, 550 : 측정용 정속펌프
610, 620 : 샘플테이프 공급모터
630 : 샘플테이프
Claims (4)
- 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치에 있어서,
배기가스가 배출되는 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위한 굴뚝압력측정용 굴뚝차압계; 및
상기 굴뚝 내에 설치되는 샘플관; 및
상기 샘플관에 연결되는 샘플파이프; 및
상기 샘플파이프로 상기 굴뚝의 배기가스가 상기 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 동일한 유속으로 흡인되도록 구비된 등속흡인을 위한 샘플유입구 흡인장치; 및
상기 샘플유입구 흡인장치의 흡인속도를 제어하기위한 샘플유입 압력을 측정하기위한 측정부입구압력계; 및
상기 샘플파이프 후단에 구비되어 상기 샘플파이프 청소를 위한 퍼지에어 공급 시 이를 측정부와 차단하기위한 청소용차단밸브; 및
상기 샘플파이프와 연결되어 상기 샘플파이프를 통하여 유입된 배기가스의 온도를 측정에 필요한 온도로 낮추고, 상기 배기가스에 포함된 수분에 의하여 측정 오차가 발생하는 것을 막기위하여 상기 샘플파이프 직경의 2~10 배 사이의 지름을 가지는 확산관; 및
상기 확산관의 배기가스를 배출하는 배출관 및 상기 배출관 내부에 구비되어 상기 확산관의 배기가스 배출압력을 생성하는 측정배출구배출장치; 및
상기 확산관에 유입된 배기가스를 베타레이측정부로 유입하는 측정관; 및 상기 측정관에서 측정하고자 하는 해당 미세먼지를 선별하는 미세먼지선별기; 및
상기 미세먼지선별기에서 선별된 미세먼지를 포집관과 우회관으로 나누는 분지부; 및
상기 포집관은 베타레이 측정을 위한 샘플테이프에서 미세먼지를 포집할수 있도록 연결되며, 우회관을 통과한 배기가스는 필터링하여 배출하며,
상기 포집관과 우회관에는 유량센서와 유량제어밸브를 구비하여, 미세먼지 측정에 사용된 유량을 계산하여 이를 환산하여 둘뚝의 미세먼지량을 계산할 수 있도록 하며,
상기 포집관과 우회관은 다시 합관하여 미세먼지배출파이프로 연결되어 배출되며,
상기 미세먼지선별기로 측정을 위한 배기가스를 흡입하기 위한 압력을 발생하기 위하여 상기 미세먼지배출파이프의 후단에 구비되어 상기 미세먼지선별기가 동작하기위한 정속의 유량을 만들어주는 측정용 정속펌프; 및
상기 샘플테이프를 측정을 위하여 공급하고, 원점을 잡기위하여 되감는 동작을 할 수 있는 샘플테이프 공급모터를 구비한 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 샘플유입구 흡인장치와 상기 측정배출구배출장치는 외부의 공기를 유입하여 파이프 내부로 불어줌으로써 입구부의 배기가스를 압력과 속도차를 이용하여 흡입하는 방식을 사용하며, 상기 굴뚝 배기가스의 높은 온도와 습도를 낮추기 위하여 건조되고, 상기 배기가스의 온도보다 설정온도 만큼 낮은 온도의 필터링된 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치. - 제2항에 있어서,
상기 미세먼지선별기는 PM10 및/또는 PM2.5 인 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치. - 제2항에 있어서,
상기 확산관으로부터 PM10 및 PM2.5 측정을 위한 측정관은 각각 분리되어 구비되는 것을 특징으로 하는 확산관을 구비한 베타레이방식 굴뚝 미세 먼지 측정장치.
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