[표지] 1
제출문 2
참여연구진 3
요약문 4
목차 28
제1장 서론 37
제1절 연구의 배경 37
제2절 필요성 38
제3절 연구 내용 및 범위 40
1. 국내외 PEMS 구축현황 및 해외사례 조사 40
2. 국내 사업장 배출정보 및 모니터링 자료수집 40
3. 배출량 예측 모니터링 시스템(PEMS) 설계안 마련 40
4. 배출량 예측 모니터링 시스템 운영을 위한 제도 개선 방안 도출 41
제2장 국내·외 PEMS 구축현황 및 해외사례 조사 42
제1절 PEMS 개요 및 해외 관련 규정 조사 42
1. PEMS & CEMS 정의 및 비교분석 42
2. PEMS 모형 검증 기준 및 관련규정 조사 46
제2절 PEMS 기술개발 현황 및 활용사례 74
1. 국내외 PEMS 기술개발 현황 74
2. 해외 PEMS 구축 및 활용사례 80
제3장 국내 사업장 배출정보 및 모니터링 자료수집 83
제1절 국내 사업장 배출정보 및 자료현황 83
1. 국내 사업장 배출정보 관리현황 83
2. 업종별 TMS 설치현황 및 오염물질 배출량 현황 87
제2절 통합법 시행 업종별 TMS 자료수집 및 분석 90
1. TMS자료수집 및 연료별 배출시설 분류 90
2. TMS자료분석 및 PEMS 구축대상 배출구 선정 109
제4장 배출량 예측 모니터링 시스템[PEMS] 설계안 마련 127
제1절 PEMS 모형 구축을 위한 공정변수 선정 127
1. PEMS 모형 구축 공정변수 전처리 방법 설계 127
2. PEMS 구축 대상시설 공정자료 전처리 및 검증 136
제2절 PEMS 모형 구축 및 검증결과(서울과기대 작성분) 168
1. 대표 배출시설에 대한 PEMS 모형 설계 168
2. PEMS 모형 구축 및 검증 189
제3절 PEMS를 활용한 허가배출기준 설정 방법론 201
1. 허가배출기준 설정 방법론 검토 201
2. 배출영향분석 기본 입력자료 구축 202
3. 배출수준별 배출영향분석 결과 비교분석 203
5. 실배출량 배출영향분석 방법론 마련 211
제5장 배출량 예측 모니터링 시스템 운영을 위한 제도 개선방안 212
제1절 한국형 PEMS 제도 도입을 위한 모형구축 설계안 마련 212
1. 공정자료 처리 안내서(안) 마련 212
2. 한국형 PEMS 모형구축(안) 마련 213
3. PEMS 모형검증 기준(안) 마련 214
4. PEMS 제도운영을 위한 성과물 활용방안 및 향후개발(안) 216
제2절 실배출량 적용방안(안) 마련 217
1. 배출영향분석 방법론 마련 217
2. 통합환경관리 적용방안 218
제6장 결론 및 제언 220
제1절 결론 220
제2절 제언 225
참고문헌 228
[뒷표지] 231
표 2-1. A사 PEMS, CEMS 비교 예시 44
표 2-2. CEMS vs. PEMS 비교 45
표 2-3. CEMS, PEMS 초기비용 비교 46
표 2-4. CEMS, PEMS 연간 운영 및 유지보수 비용 비교(B사 예시) 46
표 2-5. QA/QC간 사용되는 테스트 기준 및 빈도 49
표 2-6. 각 부하수준에 따른 기준치 49
표 2-7. 상대정확도 통계검정에 관한 명명법 52
표 2-8. 관측 수에 따른 t값 53
표 2-9. 대상물질별 RM 방법론 목록 54
표 2-10. T-test, 상관관계, F-검정 예시 55
표 2-11. 성능(Performance) 특성 시험 59
표 2-12. 실험실 조건에서 PEMS 구축 소프트웨어 기능 60
표 2-13. 실험실 조건에서 PEMS 운영 및 품질보증 소프트웨어 기능 61
표 2-14. 현장 기능성 테스트 요구사항 62
표 2-15. 현장 조건 테스트에서 PEMS 배출모델 테스트 성능 요구사항 62
표 2-16. 현장 조건 테스트에서 PEMS 센서검증 모델 테스트 요구사항 63
표 2-17. QAL2 기능성 테스트 70
표 2-18. PEMS 비교(US EPA vs. EU CEN/TS) 71
표 2-19. US EPA 3개의 통계검정 72
표 2-20. 통계검정 예시 72
표 2-21. 통계검정 예시 결과 73
표 2-22. 자유도(n-1)에 따른 F임계값 테이블 73
표 2-23. PEMS 구축 사례별 입력 및 기법 자료 77
표 2-24. 데이터 샘플링 자료 79
표 2-25. US EPA 기준 상대정확도 분석결과 80
표 3-1. SEMS 와 TMS의 입력 자료 등 내용 비교 83
표 3-2. 대기배출원조사 조사항목 84
표 3-3. 2019년 대기오염물질 발생량에 따른 대기오염물질 배출업소 현황 87
표 3-4. 2015-2020년도 굴뚝 TMS 부착 사업장 수 88
표 3-5. 2019년 대기오염물질 배출시설 및 굴뚝 TMS 부착사업장 배출량 현황 89
표 3-6. 2019년 지역별 대기오염물질 배출시설 및 굴뚝 TMS 부착사업장 배출량 현황 89
표 3-7. 연료별 배출시설 분류체계 91
표 3-8. B-C유, 경유, 등유, 부생연료유 보일러 시설 Box-Plot 결과 94
표 3-9. B-C유, 경유, 등유, 부생연료유 보일러 시설 Box-Plot 결과 95
표 3-10. LNG, LPG 발전시설 Box-Plot 결과 96
표 3-11. LNG 소각시설 97
표 3-12. 부생가스 가열시설 98
표 3-13. SRF 폐기물 소각시설 99
표 3-14. 유연탄 발전시설 100
표 3-15. 무연탄 발전시설 101
표 3-16. 사업장 폐기물 소각시설 102
표 3-17. 사업장폐기물 소각시설 103
표 3-18. 생활폐기물 소각시설 104
표 3-19. 생활폐기물 소각시설 105
표 3-20. 의료폐기물 소각시설 105
표 3-21. 고철, 합금 등 전기아크로 시설 105
표 3-22. 연료별 배출시설별 배출시설 선정(1차) 110
표 3-23. 연료 및 배출시설 분류된 정규분포(왜도, 첨도기준 만족) 1차분류결과 110
표 3-24. 연료 및 배출시설 미분류된 정규분포(왜도, 첨도기준 만족) 1차분류결과 115
표 3-25. LNG 연료를 사용하는 대상시설 상세분석결과 2차분류(NOₓ 기준) 121
표 3-26. 연료 및 배출시설 미분류된 대상시설 상세분석결과 2차분류(NOₓ 기준) 122
표 4-1. PEMS 구축 논문 사례 128
표 4-2. PEMS 모델 구축을 위한 DATA 전처리 방법 132
표 4-3. A사업장 폐기물 소각 및 에너지 회수시설 공정 특성 및 조업변수 142
표 4-4. A사업장 DCS/TMS현황 143
표 4-5. A사업장 1호기 오염물질 별 TMS 상태코드 자료 비율 144
표 4-6. 1차 전처리 후 A사업장 1, 2호 변수 선정(47개) 148
표 4-7. 전처리 후 A사업장 1호 dataset 개수 149
표 4-8. 전처리 후 A사업장 1호 dataset 개수 150
표 4-9. A사업장 1호 오염물질별 random forest 변수 중요도 151
표 4-10. A사업장 2호 오염물질별 random forest 변수 중요도 152
표 4-11. B사업장 LNG 복합발전 공정 특성 및 조업변수 155
표 4-12. 가동개시 및 가동중지, 재가동시 기준초과 인정시간 및 인정시점 157
표 4-13. 전처리 후 B사업장 #1 G.T HRSG변수 선정(16개) 160
표 4-14. 전처리 후 B사업장 #2 G.T HRSG변수 선정(18개) 160
표 4-15. B사업장 #1 G.T HRSG변수 중요도(16개) 161
표 4-16. B사업장 #2 G.T HRSG변수 중요도(18개) 161
표 4-17. C사업장 LNG 복합발전 공정 특성 및 조업변수 164
표 4-18. C사업장 LNG 복합발전 PEMS 모델 구축에 사용된 변수 165
표 4-19. C사업장 LNG 복합발전 공정 변수 random forest 변수중요도 167
표 4-20. RF, SVR 기반의 6개 물질 배출량 추정 모델 성능 비교 174
표 4-21. 47개 입력 변수 리스트 175
표 4-22. 13개 NOx 필수 입력 변수 리스트 176
표 4-23. 11개 TSP 필수 입력 변수 리스트 178
표 4-24. 11개 SOₓ 필수 입력 변수 리스트 180
표 4-25. 7개 CO 필수 입력 변수 리스트 182
표 4-26. 11개 HCL 필수 입력 변수 리스트 184
표 4-27. 7개 O₂ 필수 입력 변수 리스트 186
표 4-28. 21개 공통 변수 188
표 4-29. A 사업장 1호기 PEMS 모형의 EPA 기준 통과 여부 191
표 4-30. A 사업장 2호기 PEMS 모형의 EPA 기준 통과 여부 193
표 4-31. B 사업장 1/2 호기 입력 변수 194
표 4-32. B 사업장 1호기 PEMS 모형의 EPA 기준 통과 여부 197
표 4-33. B 사업장 2호기 PEMS 모형의 EPA 기준 통과 여부 197
표 4-34. 롯데케미칼 입력 변수 198
표 4-35. C 사업장 1호기 PEMS 모형의 EPA 기준 통과 여부 200
표 4-36. PEMS 구축대상 사업장 대상시설 현황 204
표 5-1. A사업장 1호기 검증결과 215
표 5-2. A사업장 2호기 검증결과 215
표 5-3. B사업장 1호기 검증결과 215
표 5-4. B사업장 2호기 검증결과 215
표 5-5. C사업장 검증결과 215
표 5-6. 연구성과물 활용 및 향후계획(안) 216
표 5-7. PEMS모형 구축시 배출영향분석 연계방안 검토 218
표 5-8. PEMS 설치 및 운영근거(통합환경관리제도 반영) 219
표 6-1. PEMS 설치 및 운영근거(통합환경관리제도 반영) 225
그림 2-1. CEMS 모식도 42
그림 2-2. PEMS 모식도(CEMS포함) 43
그림 2-3. PEMS 흐름도 44
그림 2-4. 40 CFR §60, §75 Sub. E 흐름도 및 개요도 47
그림 2-5. 배출수준에 따른 RM 시험 횟수 50
그림 2-6. PEMS인증 절차 개요도 51
그림 2-7. Part 60 Appendix A RM 방법론 목록 53
그림 2-8. CEN/TS 17198에서 정의하는 PEMS 정의 56
그림 2-9. PEMS 소프트웨어 구성도 57
그림 2-10. PEMS 소프트웨어 성능 기준 및 시험 절차 58
그림 2-11. PEMS 소프트웨어 인증 모식도 59
그림 2-12. PEMS 편차 입력 센서로 인한 PEMS 표준불확도 67
그림 2-13. 정규화된 센서의 표준불확도 결정 68
그림 2-14. 계산된 센서의 표준불확도 결정 68
그림 2-15. 품질보증 수준 및 책임범위 구획 70
그림 2-16. 가마(Kiln) 1개소 대상 실측값과 예측값의 SO₂ 산포도 및 시계열 74
그림 2-17. 가마(Kiln) 2개소 대상 실측값과 예측값의 NOₓ 산포도 및 시계열 75
그림 2-18. 1993년 PEMS 최초로 승인된 연구논문 발췌 75
그림 2-19. PEMS 구조도 76
그림 2-20. PEMS, CEMS 무차원 15차 변수... 76
그림 2-21. 피드포워드 신경망 구조 77
그림 2-22. 5가지 입력 매개변수 78
그림 2-23. 화학산업 분야 적용사례 81
그림 2-26. 네덜란드 정제시설 82
그림 2-27. 시설단위 사례 참고 82
그림 3-1. 1~3종 사업장 대기배출원조사 시스템 구성도 85
그림 3-2. 4~5종 사업장 대기배출원조사 시스템 구성도 85
그림 3-3. 굴뚝감시체계(TMS, CleanSYS) 운영체계도 86
그림 3-4. 업종별 대기오염물질 배출업소 증감추이 88
그림 3-5. 대기오염물질 배출업소 증가율 현황 88
그림 3-6. PEMS 구축대상 배출구 선정과정 90
그림 3-7. Box-Plot 수치 92
그림 3-8. 연료별 배출시설별 Box-Plot 106
그림 3-9. 연료별 배출시설별 Box-Plot 107
그림 3-10. 연료별 배출시설별 Box-Plot 108
그림 3-11. 왜도(Skewness) 109
그림 3-12. 첨도(Kurtosis) 109
그림 3-13. 연료별 배출시설별 배출시설 선정(2차) 110
그림 3-14. 상세분석(4-Plot) 결과 124
그림 3-15. 상세분석(4-Plot) 결과 125
그림 3-16. 상세분석(4-Plot) 결과 126
그림 4-1. 주성분(PC 1~4)의 PC Socre 조합의... 129
그림 4-2. 신뢰구간 99%에 해당하는 Hotelling... 130
그림 4-3. FFT를 활용한 noise 감쇄 130
그림 4-4. Step 별 median filter noise... 131
그림 4-5. PEMS용 data 전처리 protocol 요약 135
그림 4-6. A사업장 폐기물 소각 및 에너지 회수시설 공정도 136
그림 4-7. A사업장 폐기물 성분 및 주요 조업변수의 월간평균과 오염물질 평균 농도의... 137
그림 4-8. 연소 공정에서의 NOₓ 생성 Chemistry 138
그림 4-9. Thermal NOₓ 생성 주요 변수: 화염온도, 산소농도, 체류시간 138
그림 4-10. 선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction) 139
그림 4-11. A사업장 PEMS 모델 구축을 위한 데이터 전처리 flowchart 140
그림 4-12. A사업장 공정위치별 온도 분포 변화 141
그림 4-13. A사업장 1호 TMS 자료 및 TMS 코드 143
그림 4-14. A사업장 전처리 전 TMS 코드에 해당하는 오염물질 별 농도 분포 144
그림 4-15. A사업장 1호기 가동중지 현황 145
그림 4-16. A사업장 속각로내 위치별 온도 147
그림 4-17. A사업장 전체 변수 다중공선성 확인 147
그림 4-18. A사업장 전기집진기 변수 6sigma median flter 적용 전/후 148
그림 4-19. A사업장 1, 2호 물질별 공통 필수 변수 선정 결과 150
그림 4-20. B사업장의 가스터빈(GT) 2기 및 증거터빈(ST) 1기 구성 153
그림 4-21. B사업장 PEMS 모델 구축을 뒤한 데이터 전처리 흐름도 154
그림 4-22. B사업장 주요 변수 분기별 다른 운전모드 확인 156
그림 4-23. B사업장 설비 및 DCS 목록 156
그림 4-24. B사업장 NOₓ 교정 데이터 추정 근거 158
그림 4-25. B사업장 전체 변수 다중공선성 확인 159
그림 4-26. C사업장 가스터빈/HRSG/스팀터빈 제어용 HMI 화면 162
그림 4-27. C사업장 PEMS모델 구축을 위한 데이터 처리 과정 163
그림 4-28. PEMS 모형 설계를 위한 연구 방법 모식도 168
그림 4-29. ANN을 활용한 배출량 추정 169
그림 4-30. SVR을 이용한 회귀 및 분류 170
그림 4-31. Random Forest를 이용한 회귀 및 분류 170
그림 4-32. RF, SVR, ANN 비교 171
그림 4-33. O₂, SOₓ, CO, TSP, HCL 배출량 추정을 위한 RF, SVR 비교 결과 173
그림 4-34. 입력 변수 개수 변화에 따른 NOx... 176
그림 4-35. 입력 변수 개수 별 NOₓ 산포도 177
그림 4-36. 입력 변수 개수 변화에 따른 TSP... 178
그림 4-37. 입력 변수 개수 별 TSP 모델링 산포도 179
그림 4-38. 입력 변수 개수 변화에 따른... 180
그림 4-39. 입력 변수 개수 별 SOx 모델링 산포도 181
그림 4-40. 입력 변수 개수 변화에 따른... 182
그림 4-41. 입력 변수 개수 별 CO 모델링 산포도 183
그림 4-42. 입력 변수 개수 변화에 따른 모델링... 184
그림 4-43. 입력 변수 개수 별 HCL 모델링 산포도 185
그림 4-44. 입력 변수 개수 변화에 따른... 186
그림 4-45. 입력 변수 개수 별 O₂ 모델링 산포도 187
그림 4-46. NOₓ 모델링 결과(성남 1호기 및 2호기) 189
그림 4-47. Random forest 기반의 모델링 코드 예시 190
그림 4-48. A 사업장 1호기 PEMS 모형 구축 결과 191
그림 4-49. A 사업장 2호기 PEMS 모형 구축 결과 192
그림 4-50. B 사업장 1호기 PEMS 모형 구축 결과(NOx, O2) 195
그림 4-51. B 사업장 1호기 NOₓ 배출량 추정 모델의 월별 특성 195
그림 4-52. B 사업장 1호기 분기별 변수 분석 196
그림 4-53. B 사업장 1호기 변수 중요도 예시(NOₓ) 196
그림 4-54. B 사업장 1호기 PEMS 모형 구축 결과(NOₓ, O₂) 197
그림 4-55. C 사업장 1호기 PEMS 모형 구축 결과 200
그림 4-56. PEMS를 활용한 허가배출기준 설정 방법론 검토 절차 201
그림 4-57. 대기배출영향분석 기본 절차 202
그림 4-58. 배출영향분석 기본 입력자료 구축 203
그림 4-59. 배출수준별 배출영향분석 결과 비교분석 절차 204
그림 4-60. A사업장 배출량 비교분석 205
그림 4-61. A사업장 배출영향분석 결과 206
그림 4-62. NOₓ 연평균 농도 207
그림 4-63. B사업장 배출량 비교분석 208
그림 4-64. B사업장 배출영향분석 결과 209
그림 4-65. NOₓ 연평균 농도 210
그림 6-1. 연소공정에 의한 오염물질 발생량 예측을 위한 핵심 조업 변수 222
그림 6-2. 연소공정에 의한 오염물질 발생량 예측을 위한 핵심 조업 변수 226
그림 6-3. 연소공정에 의한 오염물질 발생량 예측을 위한 핵심 조업 변수 226
그림 6-4. PEMS를 활용하여 적용가능한 연소 최적화 227