대기 중으로 배출된 오염물질은 실질적인 관리가 어렵기 때문에, 배출원 수준에서의 관리가 중요하다. 정부는 굴뚝원격감시체계(TMS)를 활용하여 오래전부터 배출가스 농도를 측정했으며, 이는 배출량 관리의 기초자료로 활용되고 있다. 배출가스는 고온, 고습, 고농도의 성상을 가지고 있어 가스 농도를 정확하게 측정하기 위한 전처리가 필요하며, 특히 수분에 대한 전처리가 중요하다. 그러나 수분 전처리과정에서 친수성 가스 및 극성물질에 대한 손실이 보고되고 있고, 이는 정확한 측정과 장비 운용에 영향을 미치고 있다. 추가로 배출가스에 포함된 입자상물질이 전체 시스템의 운용 및 유지보수에 영향을 미치는 주요 원인 중 하나로 지목되고 있다. 이를 개선하고자 본 연구에서는 냉각사이클론 전처리장치를 개발하였다. 새로운 전처리 장치는 냉각사이클론을 통한 수분 응결 효과와 사이클론 효과를 결합한 장치로 수분을 응결 제거하여 친수성 가스 및 극성물질의 손실을 줄이고, 동시에 입자상물질을 제거하는 장치이다.
본 연구에서는 소각시설에서 배출되는 친수성 가스의 측정 및 정확도 개선을 위해 냉각사이클론 전처리 장치를 개발하고 성능을 평가하였다. 연구결과 냉각사이클론 온도가 낮아질수록 수분과 입자상물질 제거효율이 향상되었다. 또한, 전처리 된 시료 가스는 온도와 습도를 조절하여 다양한 측정기에 적합하게 사용될 수 있도록 하였다. 실험에서 모사한 배출가스의 결과에 따르면, 냉각사이클론을 -25℃로 냉각하여 전처리하였을 때 PM10, PM2.5, PM1.0 입자상물질은 각각 평균 93.6, 72.0, 50.6%의 제거효율을 보였으며, 수분은 평균 84.5%의 제거효율을 나타내었다. 수분전처리 과정에서 친수성물질을 포함한 가스상 물질의 회수율이 우수한 결과를 보였으며, SO₂, CO, NO, NO₂에 대한 각각의 회수율은 98.1, 99.2, 101, 101%로 나타났다. 또한, 용해도가 높은 암모니아의 회수율은 91.2%로, 기존 쿨러를 사용한 29.0% 회수율에 비해 상대적으로 좋은 측정값을 보여주었다.
현장 적용 실험 결과, 수분과 입자상물질의 제거효율은 각각 83.7%, 86.0%로 나타나 실험실 규모(Lab scale)에서의 결과와 유사한 측정값을 보여주었다. 암모니아의 경우, 배출농도가 매우 낮게 나와 회수율 계산에 어려움이 있었으나, 최대 약 77.0%의 수준의 회수율을 나타내었다. 가스상 오염물질인 CO, NOx, SO₂의 TMS 측정 장비와의 상대 정확도(기준치 ≤ 20%) 비교 결과, 각각 3.7%, 1.4%, 0.4%로 나타나 전처리 장치로서의 적용 가능성을 높여 주었다.
상기 연구 결과를 기반으로, 냉각사이클론이 TMS 전처리에 적용된다면 입자상물질과 수분을 전처리하여 추출선과 측정기를 동시에 보호할 수 있다. 그리고 높은 전처리 유량(6L/min)은 하나의 시료채취관을 사용하여 다양한 장비의 분석에 활용할 수 있으며, 이는 운영 및 설치 비용을 절감하는 데 상당한 영향을 주게 될 것이다. 추가로 추출선의 온도를 낮출 수 있어 에너지 절약에도 기여할 수 있다.