연구 대상시설로는 LNG를 사용하는 복합화력발전소를 선정하였다. 대상시설에서는 80 MW급 가스터빈 4기와 160 MW급 스팀터빈 1기로 이루어진 1호기와 286 MW급 가스터빈 2기, 295.9 MW급 스팀터빈 1기로 이루어진 2호기를 가동 중에 있으며, 안정적인 시료채취를 위하여 24시간 가동하고 있는 2호기를 선정하였다.

고정배출원에서 연료연소로 인한 CH₄ 발생은 발전설비의 관리 및 운전조건에 따라 달라지기 때문에 계산을 통해 배출계수 값을 산정하는데는 한계가 있다. 따라서 배출원의 CH₄ 농도를 직접 측정해 산정하여야 한다.

본 연구에서는 식 (1)과 같이 측정된 CH₄ 농도와 계산된 연소 배기가스량 및 이론 공기량을 이용한 식으로부터 CH₄ 배출계수를 산정하였다.

EF : 배출계수 (kgCH₄/TJ)
C_CH4 : 배기가스 중 CH₄ 농도 (ppm)
G₀ : 이론 건조배기가스량 (Nm³/고유단위)
m : 공기비 (실제 공기량/이론 공기량)
A₀  : 이론 연소용 공기량 (Nm³/고유단위)
NCV : 연료의 순발열량 (MJ/고유단위)

간헐포집 방법의 경우, 3일에 걸쳐 포집을 실시하였고 30분 간격으로 3분씩 포집하여 하루에 7개의 시료를 확보하였다. 포집된 시료는 GC-FID를 이용해 3회 반복 분석하여 평균값을 농도로 제시하였으며, 그 값은 Table 3에 나타내었다. 분석 결과, CH₄ 배출농도는 0.0221 ppm ~ 0.0992 ppm의 분포를 보였고, 평균농도는 2일차 시료채취 결과가 0.0333 ppm으로 가장 낮고 1일차 시료채취 결과가 0.0506 ppm으로 가장 높았다.

연속포집 방법의 경우, 3일에 걸쳐 주‧야간으로 나누어 주간은 3개, 야간은 2개의 시료를 확보하였다. 포집된 시료는 GC-FID를 이용해 3회 반복 분석하여 평균값을 농도로 제시하였으며, 그 값은 Table 4에 나타내었다. 분석 결과, CH₄ 배출농도는 0.0299 ppm ~ 0.0530 ppm의 분포를 보였고 평균농도는 0.047 ppm으로 나타났다. 상대표준편차는 19.98%로 산정되었는데, 이는 타 시료채취 방법보다 낮은 수준으로 주‧야간의 평균농도를 나타내는 연속포집의 특성 때문으로 판단된다.

연속측정 방법의 경우, 3일에 걸쳐 시료채취 측정구에 CH₄ 연속측정기기를 설치하여 분석을 실시하였으며, 그 결과는 Table 5에 나타내었다. 분석 결과, CH₄ 배출농도는 0.0020 ppm ~ 0.2051 ppm의 분포를 보였고 평균농도는 1일차 시료채취 결과가 0.0470 ppm으로 가장 높게 나타났다. 상대표준편차는 타 시료채취 방법에 비하여 높게 산정되었는데, 이는 공정특성과 운전여건에 따라 큰 변동폭을 보이는 CH₄의 특성을 연속측정 방법이 타 시료채취 방법에 비해 잘 반영했기 때문으로 판단된다.

각 시료채취 방법별 얻어진 CH₄ 농도를 Fig 2에 나타내었다. 연속포집은 시료채취 시간동안 평균농도를 선으로 나타냈으며, 연속측정은 3분 간격으로 측정결과와 30분 평균값을 나타내었다.

Fig. 2. 
Result of CH₄ concentration analysis.(Intermittent collection, Continuous collection, Continuous measurement).

간헐포집 방법으로 채취한 시료의 CH₄ 배출계수를 산정한 결과, 총 21개의 배출계수 데이터를 확보하였으며 그 값은 Table 6에 나타내었다. 산정된 값은 0.0100 kg/TJ ~ 0.0450 kg/TJ의 분포를 보였고, CH₄ 배출계수 평균값은 0.0200 kg/TJ으로 나타났다.

연속포집 방법으로 채취한 시료의 CH₄ 배출계수를 산정한 결과, 총 5개의 배출계수 데이터를 확보하였으며 그 값은 Table 7에 나타내었다. Table 7에서 보는 바와 같이 CH₄ 배출계수는 0.0137 kg/TJ ~ 0.0241 kg/TJ의 분포를 보였고, 평균은 0.0197 kg/TJ로 산정되었다.

연속측정 방법으로 채취한 시료의 CH₄ 배출계수를 산정한 결과, 3일에 걸쳐 총 866개의 데이터를 확보하였으며 그 값은 Table 8과 같다. Table 8에서 보는 바와 같이 CH₄ 배출계수는 최대 0.0208 kg/TJ, 최소 0.0009 kg/TJ, 평균은 0.0208 kg/TJ로 나타났다.

시료채취 방법별로 산정된 CH₄ 배출계수의 평균값은 Table 9에 나타냈으며, 그 값은 방법별로 크게 차이를 보이지 않았다. 하지만 단순히 평균값으로 비교하는 것은 공정특성이나 운전여건에 따라 크게 변화하는 CH₄ 배출계수를 온전히 반영한 결과라 할 수 없기 때문에 통계적 비교기법을 활용해 비교분석하였다.

각 시료채취 방법 별 산정된 CH₄ 배출계수를 통계적 비교기법을 사용해 비교하기 전에 정규성 검정을 실시하였으며, 이에는 일반적으로 많이 사용되는 통계 도구 SPSS 18을 사용하였다. SPSS 18은 통계 패키지의 한 종류로서 정규성 검정에서 Kolmogorov-Smirnov 와 Shapiro-Wilk의 유의확률을 제공하고 있다. 정규성은 유의수준 0.05에서 검정하였으며, ‘표본은 정규분포를 따른다'는 귀무가설과 ‘그렇지않다'는 대립가설을 기준으로 SPSS 18을 이용하여 확인하였고 그 결과는 Table 10에 나타내었다.

표본의 수가 작은 (n<30) 간헐포집 (21개)과 연속포집 (5개)의 경우, Shapiro-Wilk의 결과를 고려하였고, 표본의 수가 많은 (n≥30) 연속측정 (866개)의 경우, Kolmogorov-Smirnov의 결과를 고려하였다. 그 결과, 간헐포집과 연속측정은 유의확률이 각각 0.05보다 작은 0.047과 0.000으로 나타나 정규분포를 따르지 않는 것으로 검정되었으며, 연속포집은 유의확률이 0.05보다 큰 0.520으로 나타나 정규분포를 따르는 것으로 검정되었다. 분산분석을 실시할 때 , 한 집단이라도 정규성을 따르지 않으면 비모수검정법을 사용해야 하므로 본 연구는 Kruskal-Wallis test를 이용해 각 시료채취 방법별 산정된 CH₄ 배출계수를 비교분석하였다.

앞서 정규성 검정과 마찬가지로 Kruskal-Wallis test도 유의수준 0.05에서 검정하였으며, ‘시료채취 방법에 따른 CH₄ 배출계수는 같다’는 귀무가설과 ‘그렇지 않다’는 대립가설을 기준으로 SPSS 18을 이용하여 확인하였다. 그 결과, Monte Carlo 유의확률은 0.768로 유의수준 0.05보다 크기 때문에 귀무가설을 기각하지 못하는 것으로 검정되었다. 따라서 시료채취 방법에 따른 CH₄ 배출계수는 같으며, 복합화력발전소에서 각 시료채취 방법에 따라 산정된 CH₄ 배출계수는 95% 신뢰구간에서 차이가 없는 것으로 판단된다.