개념 한 쪽
굴뚝 배출가스의 지표면 영향은 배출 속도·온도·유효굴뚝고 등에 의해 결정되므로, 이를 제어하는 방법이 연료 대책의 핵심이다. 유효굴뚝고와 배출 조건을 이해하면 지표농도를 낮추는 설계와 운영 대책을 세울 수 있다.
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출제기준 단원 「연료 대책」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 세류현상 방지 기준 | 1 | 배출가스 유속과 풍속의 관계로 다운워시 방지 배수를 묻는다 |
| 굴뚝 직경 계산 | 1 | 단위 통일 후 ΔH 공식에 값을 대입해 굴뚝 내경을 계산한다 |
| 유효고 증가량 계산 | 1 | Sutton식으로 농도 절반을 위한 유효고 증가량을 구한다 |
유효굴뚝높이(Effective Stack Height)는 물리적 굴뚝 높이에 연기가 부력과 운동량으로 상승하는 높이(ΔH)를 더한 값으로 정의된다. 유효고는 오염물질이 대기 중으로 실제 도달하는 높이를 나타내며 지표면 농도 계산에서 중요한 입력값이다. ΔH 계산식으로는 대표적으로 ΔH는 1.5에 VS를 U로 나눈 비와 D를 곱한 형태나, 이를 정리한 (1.5 × Vs × D) / U와 같은 형태가 사용된다.
굴뚝 배출 가스의 초기조건인 배출속도(Vs)·배출온도·굴뚝 직경(D)·풍속(U)은 확산 거동에 직접적 영향을 준다. 배출속도와 온도가 높고 굴뚝이 높을수록 오염물질은 더 위로 상승하여 지표면 농도를 낮추며, 반대로 배출구 직경을 크게 하면 동일 유량에서 배출속도가 떨어져 확산이 저해된다.
Downwash(세류현상)는 배출가스가 주변 구조물이나 풍압으로 인해 지표면 쪽으로 강제 하강하는 현상으로 지표농도를 증가시킨다. 이를 방지하려면 배출가스 유속을 주변 풍속보다 충분히 크게 유지해야 하며, 일반적으로 풍속의 최소 2배 이상을 권장한다.
Sutton식 등 경험식에 따르면 최대 지표농도는 유효고도의 제곱에 반비례하므로(Cmax ∝ 1/H²), 농도를 특정 비율로 줄이려면 유효고도를 그 비율의 제곱근만큼 증가시켜야 한다. 또한 분산모델을 운용할 때는 배출속도·굴뚝 사양·가동시간·방지시설 효율 등 물리적 배출 조건이 필수 입력자료이며, 측정망 설치시기 같은 행정적 사항은 모델의 물리적 입력값과는 구분한다.
대표 계산 1 — 굴뚝 직경 구하기: 유효상승높이 식은 ΔH를 1.5에 VS를 U로 나눈 값과 D를 곱한 것으로 표현한다. 여기서 VS=50m/s, U는 300m/min을 초 단위로 환산하면 5m/s이며 ΔH=30m을 대입하면 30 = 1.5 × (50 ÷ 5) × D = 15D이므로 D = 2.0m가 된다. 단위 통일(분→초)을 먼저 확인하는 것이 핵심이다.
대표 계산 2 — 유효고 증가량 구하기: Sutton식에서 농도는 유효고의 제곱에 반비례하므로 농도를 절반으로 줄이려면 유효고를 √2배로 높여야 한다. 현재 유효고가 60m이면 목표고는 60×√2 ≈ 84.85m 이며, 증가량은 약 24.85m이다.
세류현상(Downwash)을 방지하기 위해서 굴뚝 배출구의 가스유속을 풍속보다 최소한 몇배 이상 높게 유지하여야 하는가?
정답 ② · 굴뚝에서 배출되는 가스가 주변의 대기 중으로 확산될 때 풍향이나 지형의 영향으로 배출가스가 지면으로 급격히 하강하는 현상을 다운워시(Downwash)라고 합니다. 이를 방지하기 위해서는 배출구의 가스 배출 속도가 주변의 풍속보다 충분히 커야 하며, 일반적으로 풍속보다 최소한 1.5배 이상 유지해야 한다고 하지만, 효과적인 픔um 확산과 다운워시 방지를 위해 기술적으로는 2배 이상 높게 유지하는 것이 권장되는 기준으로 알려져 있습니다.
다운워시(Downwash) 현상을 방지하고 배기가스의 효과적인 확산을 위해 배출구 가스 속도는 풍속의 최소 2배 이상이어야 합니다.
연기의 배출속도가 50m/sec, 평균 풍속이 300m/min인 경우, 굴뚝의 유효상승높이가 30m 라면 굴뚝의 직경크기(m)는? (단, Δ H=1.5× (VS/U)× D 식 적용)
정답 ③ · 문제는 주어진 식 ΔH = 1.5 × (VS/U) × D에 배출속도·풍속·유효상승높이를 대입해 굴뚝 직경을 구하라는 계산 문제이다. 풍속 300 m/min을 5 m/s로 단위 통일하면 30 = 1.5 × (50/5) × D 이고 우변은 1.5×10×D = 15D이므로 D = 30/15 = 2.0 m가 된다.
단위를 m/s로 통일한 후 ΔH=1.5×(VS/U)×D 식에 유효상승높이 30m, 배출속도 50m/s, 풍속 5m/s를 대입하여 직경 D를 계산하면 2.0m이다.
굴뚝의 유효고도가 60m이다. 일반적인 조건이 같을 때 최대 지표농도를 절반으로 감소시키려면 유효고도(m)를 얼마만큼 증가시켜야 하는가? (단, Sutton식 적용)
정답 ④ · 문제는 Sutton식에 따라 유효고도를 얼마나 증가시키면 최대 지표농도를 절반으로 줄일 수 있는지 묻고 있다. Sutton식에서 최대 지표농도는 유효고도의 제곱에 반비례하므로 농도를 1/2로 줄이려면 유효고도를 √2배로 증가시켜야 한다.
Sutton식에서 최대 지표농도는 유효고도의 제곱에 반비례하므로, 농도를 절반으로 줄이려면 유효고도를 √2배 증가시켜야 한다.
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