매연저감장치(DPF)의 전과정 분석을 통한 입자상 대기오염물질 저감효과 분석

I.

서 론

최근 미세먼지로 인한 우려가 높아짐에 따라 도심지 미세먼지의 주요 발원지인 건설현장 및 건설기계로 인 한 배출량에 대한 관리의 필요성이 강조되고 있다. 이 에 환경부는 2020년 1월부터 수도권 지역의 100억원 이상의 관급공사에 2005년 Euro 3 이전 배출허용기준 으로 제작된 도로용 건설기계(덤프트럭, 콘크리트펌프 또는 콘크리트믹서트럭) 사용 시 저공해조치를 완료한 건설기계를 의무 사용하도록 하고, 저공해 조치를 하지 않은 건설기계 사용을 제한하고 있다1). 환경부에서의 저공해 조치란 대기오염물질을 저감하는 DPF 장치의 부착을 의미하며, DPF는 미세매연 입자를 포집하여, 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리 장치이다.

본 연구에서는 전과정 관점에서 건설기계 DPF의 원 부자재 채취에서부터 제조 공정 전과정에서 배출되는 미세먼지를 포함한 입자상 대기오염물질과 DPF 부착 으로 인해 저감되는 입자상 대기오염물질을 비교하여, 제조공정 배출 대비 부착으로 저감되는 오염물질량을 비교하여 전과정 관점에서의 저감효과 산정을 목표로 연구를 수행하였다.

II.

연구방법

본 연구는 건설기계 DPF 전과정 측면에서의 환경 저감효과 검토가 목적으로, DPF 제조공정에서 투입되 는 원부자재로 인해 배출되는 입자상 오염물질과 DPF 가 차량에 부착되어 저감하는 입자상 대기오염물질을 정량화하여 전과정 측면에서의 총 저감효과를 산정하 였다.

동 연구에서 DPF 제조공정 전과정에 대한 입자상 대기오염물질 정량화 분석은 LCA 기법을 적용하였으 며, 국제표준인 ISO 14040(Life cycle a ssessment, 원칙 및 기본구조)을2) 준용하였다. LCA 분석은 구성요소인 목적 및 범위 설정, 목록분석, 영향평가, 결과해석의 절 차에 따라 수행하였으며3), 목록분석 및 영향평가 수행 시에는 환경부 LCA 공용 프로그램인 TOTAL을 이용 하였다. 영향평가시 환경성적표지 방법론을 이용하여 6대 영향범주(자원고갈, 산성화, 부영양화, 지구온난화, 오존층파괴, 광화학산화물생성)에 대한 특성화 및 가중 화 값 분석결과를 제시하였다. LCA 수행을 위한 LCI DB(Life Cycle Inventory Database)는 국가 LCI D a ta - base 정보망(Korea LCI Database Information Network) 에서 제공하는 국가 LCI DB를 이용하였으며, 국가 LCI DB 부재시 Ecoinvent 2.2V의 해외 LCI DB를 이 용하여 신뢰성을 향상시켰다4).

건설기계의 DPF 부착 전후의 입자상 오염물질 발생 량 산정은 국가 대기오염물질 배출량 산정방법 편람 (IV)의 규제단계별 배출계수 차이를 이용하여 산정하 였다5).

1.

연구범위

본 연구에서는 DPF 생산업체를 대상으로 현장조사 를 수행하여 전과정 목록 분석 후 LCA 분석을 수행 하였으며, 대기오염물질 배출 산정 방법론에 따라 규 제 단계별 입자상 오염물질 배출량 산정 및 비교결과 를 도출하여 Tier-2 단계에 해당하는 건설기계의 DPF 부착에 따른 입자상대기오염물질 저감량을 분석하 였다.

1.1.

기능단위 설정

본 연구에서는 기능, 기능단위 및 기준흐름을 Table 1에 정의한 것과 같이 DPF로 두고 분석을 수행하였다. DPF는 Tier-2 단계 건설기계에 부착되는 DPF를 기준 으로 기능단위를 설정하여 LCA 분석을 수행하여 DPF 주요 원부자재 채취에서부터 DPF 제조 공정에서 배출 되는 입자상 대기오염물질을 정량화 하였으며, 건설기 계의 DPF 부착으로 인한 입자상 대기오염물질 저감량 은 규제단계별 입자상 대기오염물질 배출량을 산정하 여 비교 분석하였다.

Table 1.

Scope definition

Category	Definition
Function	Exhaust post-treatment device that physically collects and burns particle matter in exhaust gas to remove its
Functional Unit	Diesel particulate filter 12 inch 1ea : Weight 43.895 kg

1.2.

시스템 경계 및 제외 기준

본 연구의 시스템 경계는 투입되는 자재의 KS 규정 적합유무를 검사하는 공정인 재료투입 및 재료시험 공 정부터 완성된 세라믹 담체 및 촉매 등을 캐닝 및 하우 징을 거쳐 최종제품으로 생산하는 조립공정까지를 포 함하여 Cra dle to Gate로 정의하였다6). 포장공정의 경우 제조사별로 포장형태 및 재질이 상이하여 일반 화가 어려워 제외하였으며, 제조공정과 직접적 연관 성이 없는 사무시설 및 편의시설은 분석에서 제외하 였다. DPF 생산에 대한 시스템 경계를 Fig. 1에 나타 내었다.

Figure 1.

System boundary of Diesel particulate filter.

1.3.

데이터 범주 및 품질

본 연구에서 고려하는 데이터 범주는 일반원칙에 따 라 원료물질, 제품, 대기 배출물, 폐기물로 구분하며, 각 데이터 범주별 투입물과 산출물은 Table 2와 같다.

Table 2.

Data category and input and output of the system

Group		Material
Input	Raw material	Cordierite, Zeolite, Platinum, Palladium, Chromium steel Polypropylene, ABS, HDPE, Copper
Output	Product	Diesel particulate fillter
	Water emission	Waste water
	Air emission	Dust

데이터는 크게 현장데이터와 공개된 일반데이터(국 가 및 해외 LCI 데이터베이스)로 구분된다. 대상 제품 을 생산하는 최종 생산단계에 대해서는 현장 데이터를 사용하는 것을 원칙으로 하였으며 Tier-2 단계 건설기 계 부착용 DPF 생산업체 2개사를 선정하여 데이터를 수집하였다.

1.4.

가정 및 제한사항

본 연구에서 분석대상으로 하고있는 Tier-2 건설기계 부착용 DPF의 경우 연구개발용 시험장치로 생산업체 에서 별도의 생산라인이 구축된 것이 아닌 기존 환경 장치, 경유차량용 DPF, 선박용 DPF 생산라인을 활용 하여 제조된 것으로 조사되었다. 따라서, 비정기적 생 산활동으로 인하여 생산 과정중 소비되는 전력, 용수 등의 유틸리티 사용량은 별도로 수집하지 않고 분석시 제외하였다.

III.

결과 및 고찰

1.

전과정 영향평가

1.1.

데이터 수집 및 계산

데이터 수집은 참여업체의 현장데이터를 우선 적용 하는 원칙에 따라 설문서를 통하여 업체 현장데이터를 수집하였다. 데이터 수집이 불가능할 경우 논리적인 계 산 및 추정을 통하여 데이터를 수집/보완하였다. 국가 평균 데이터베이스의 사용은 원료물질, 보조물질, 에너 지 등의 상위흐름 및 하위흐름 연결을 위한 데이터베 이스를 활용하는 것으로 Ecoinvent(www.ecoinvent.org)4) 등의 해외 데이터베이스를 활용하였다. 주요 원 료 및 보조물질 등 투입물과 산출물에 대한 데이터 출 처 및 수집결과는 Table 3과 같다.

Table 3.

Data sources for LCI of diesel particulate filter

Group		Material	Value (g)	LCI Database
Group		Material	Value (g)	Database	Source
Ceramic carrier	DOC carrier	Cordierite	1,000	Magnesium oxide, at plant	Ecoinvent
	SDPF filter	Cordierite	6,000	Magnesium oxide, at plant	Ecoinvent
	SRC/AOC carrier	Cordierite	2,800	Magnesium oxide, at plant	Ecoinvent
Catalyst	DOC catalyst	Pt / Pd	400	Platinum, primary, at refinery	Ecoinvent
	DOC catalyst	Pt / Pd	400	Palladium, primary, at refinery	Ecoinvent
	SPDF catalyst	Zeolite	300	Zeolite, powder, at plant	Ecoinvent
	SRC/AOC catalyst	Zeolite / Pt	800	Zeolite, powder, at plant	Ecoinvent
	SRC/AOC catalyst	Zeolite / Pt	800	Platinum, primary, at refinery	Ecoinvent
Canning/Housing	DOC canning	SUS 316	1,200	Chromium steel 18/8, at plant	Ecoinvent
	SPDF canning	SUS 304	4,600	Chromium steel 18/8, at plant	Ecoinvent
	SRC/AOC canning	SUS 304	2,300	Chromium steel 18/8, at plant	Ecoinvent
	Mixer pipe	SUS 304	3,900	Chromium steel 18/8, at plant	Ecoinvent
	Recovery system	SUS 316	14,000	Chromium steel 18/8, at plant	Ecoinvent
Urea dosing system	Supply module	PP	2,700	Polypropylene, granulate, at plant	Ecoinvent
	Dosing module	SS	270	Reinforcing steel, at plant	Ecoinvent
	DCU	PP	338	Polypropylene, granulate, at plant	Ecoinvent
	OBD	ABS	207	Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, ABS, at plant	Ecoinvent
	Thermometer	Inconel	212	Iron-nickel-chromium alloy, at plant	Ecoinvent
	MAF sensor	PP	370	Polypropylene, granulate, at plant	Ecoinvent
	User tank	HDPE	4,000	Polyethylene, HDPE, granulate, at plant	Ecoinvent
	Cable	AVSS	3,500	Copper, primary, at refinery	Ecoinvent

1.2.

영향평가 결과

DPF 1ea 생산 시 현장 데이터 등의 수집결과를 바탕 으로 전과정 영향평가를 수행하였다. 영향평가는 TOTAL7) 프로그램을 이용하여 산업통상자원부 영향평 가 방법론을 적용하였으며, 자원고갈(Abiotic Depletion Potential), 산성화(Acidification Potential), 부영양화 (Eutrophication Potential), 지구온난화(Global Warming Potential), 오존층파괴(Ozone-layer Depletion Potential), 광화학산화물생성(Photochemical Oxidant Creation Potential)로 총 6개의 영향범주를 고려하였다. 분석은 특성화, 정규화 및 가중화의 순서로 수행하였다.

1.2.1.

특성화(Characterization) 및 정규화(Normalization) 결과

주요 6대 영향범주에 대한 특성화 및 정규화 결과를 산정하여 Table 4, 5에 나타냈다. 영향범주별 원인물질 에 따른 기여도 분석결과 6대 영향범주 전부 촉매에 의한 기여도가 가장 높은 것으로 나타났다. 자원고갈, 지구온난화, 오존층파괴 영향범주의 경우 촉매, 캐닝 및 하우징 순으로 기여도가 높게 나타났고 산성화, 부 영양화, 광화학산화물 생성 영향범주의 경우 촉매, Urea Dosing 시스템 순으로 기여도가 높게 나타났다. 자원고갈 영향범주의 경우 촉매 다음으로 캐닝 및 하 우징이 2.43%, Urea Dosing 시스템이 1.47%로 타 영 향범주에 비해 높은 기여도를 나타내는 것으로 분석되 었다.

Table 4.

Result of characterization

Impact category	Result value	Unit	Level of contribution (average of 3 standard)
ADP	2.77E+01	1/yr	➀ Catalyst (96.10%) ➁ Canning/Housing (2.43%) ➂ Urea dosing system (1.47%)
AP	1.95E+02	kgSO₂-eq.	➀ Catalyst (98.75%) ➁ Urea dosing system (0.93%) ➂ Canning/Housing (0.32%)
EP	1.85E+02	kgPO₄^3--eq.	➀ Catalyst (98.82%) ➁ Urea dosing system (1.05%) ➂ Canning/Housing (0.12%)
GWP	1.17E+04	kgCO₂-eq.	➀ Catalyst (98.73%) ➁ Canning/Housing (0.99%) ➂ Urea dosing system (0.23%)
ODP	5.97E-04	kgCFC11-eq.	➀ Catalyst (99.20%) ➁ Canning/Housing (0.68%) ➂ Urea dosing system (0.12%)
POCP	1.05E+01	kgC₂H₄-eq.	➀ Catalyst (98.42%) ➁ Urea dosing system (1.04%) ➂ Canning/Housing (0.53%)

Table 5.

Result of normalization

Impact category	Result value	Unit
ADP	1.11E+00	kg/person-yr²
AP	4.91E+00	kgSO₂-eq./person-yr
EP	1.41E+01	kgPO₄^3--eq./person-yr
GWP	2.11E+00	kgCO₂-eq./person-yr
ODP	1.47E-02	kgCFC11-eq./person-yr
POCP	1.02E+00	kgC₂H₄-eq./person-yr
Total	1.65E+00	Eco-point

1.2.2.

가중화(Weighting) 결과

산업통상자원부 영향평가 방법론에 따라 가중화 결 과를 산정하였으며 세부적인 가중화 결과는 Table 6과 Fig. 2에 나타내었다. 가중화 산정 결과 DPF 1ea 생산 시 총 환경영향은 1.65E+00 Eco-point로 나타났으며, 영향범주별로는 지구온난화 및 부영양화 점유비율이 36.93%, 32.50%로 가장 높게 났다. 이는 가중화 지수 산정을 위한 영향범주 간 상대적 비교시 지구온난화와 부영양화의 중요도가 다른 영향범주에 비해 높고 DPF 의 목록분석 결과 오존층파괴, 광화학산화물 생성에 영 향을 주는 물질이 많이 포함되어 있지 않아 상대적으 로 지구온난화 및 부영양화의 가중화 결과가 높게 분 석되었다.

Table 6.

Result of weighting

Impact category	Result value	Unit	Level of contribution
ADP	2.57E-01	Eco-point	15.57%
AP	1.77E-01	Eco-point	10.72%
EP	5.36E-01	Eco-point	32.50%
GWP	6.09E-01	Eco-point	36.93%
ODP	4.28E-03	Eco-point	0.26%
POCP	6.62E-02	Eco-point	4.02%
Total	1.65E+00	Eco-point	100.0%

Figure 2.

Result of weighting for each impact categories.

1.3.

DPF 생산시 입자상 대기오염물질 발생량 산정

DPF 목록분석결과를 기반으로 1ea 생산시 입자상 대기오염물질 발생량을 산정하였다. 본 연구에서 산정 하고자 하는 입자상 대기오염물질과 관련된 주요 파라 미터는 Dust로 목록분석 수행결과에서 Dust 결과값만 추출하여 합산하였다. 합산결과 DPF 1ea 생산시 발생 입자상 대기오염물질은 8.58E+01 kg이였으며, 구성물 질별 목록분석 결과값은 Table 7과 같다.

Table 7.

Result of life cycle inventory analysis for LCI parameters

Material	Parameter		Result value (kg)
Magnesium oxide, at plant	Output	Dust	2.94E-02
Platinum, primary, at refinery	Output	Dust	6.94E+01
Palladium, primary, at refinery	Output	Dust	1.56E+01
Zeolite, powder, at plant	Output	Dust	6.0E-03
Chromium steel 18/8, at plant	Output	Dust	5.87E-01
Polypropylene, granulate, at plant	Output	Dust	2.03E-03
Reinforcing steel, at plant	Output	Dust	2.02E-03
Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, ABS, at plant	Output	Dust	3.76E-04
Iron-nickel-chromium alloy, at plant	Output	Dust	5.60E-03
Polyethylene, HDPE, granulate, at plant	Output	Dust	2.59E-03
Copper, primary, at refinery	Output	Dust	1.99E-01
Total	Output	Dust	8.58E+01

목록분석결과 산정된 DPF 1ea 생산시 발생 입자상 대기오염물질 결과와 동 연구에서 대상으로 하고있는 굴삭기의 2020년 등록현황통계를8) 활용하여 입자상 대기오염물질 발생량을 Table 8와 같이 나타내었다. 2020년 기준 등록장비 전체에 DPF를 부착한다고 가정 하였을 경우 굴삭기가 13,540,774 kg의 입자상 대기오 염물질을 발생시키는 것으로 산정되었다.

Table 8.

Result of calculating PM generated during production of diesel particulate filter trap

Group	Registration status	Result value (kg)
Excavator	157,740	13,540,774

2.

DPF 부착을 통한 운용단계 입자상 대기오염물질 저 감량 산정

건설기계 운영과정에서 DPF로 인한 입자상대기오염 물질 저감량을 산정하였다. DPF로 인한 입자상대기오 염물질 저감량 산정을 위해서는 우선 DPF가 미부착된 Tire 2 단계 굴삭기의 배출량 산정을 수행하였으며, 산 정된 배출량에 DPF의 저감효율 의무기준을 곱하였다.

Tier 2 단계의 굴삭기 입자상대기오염물질 배출량은 국가 대기오염물질 배출량 산정방법 편람(IV) 비도로 이동오염원-건설기계 배출량 산정식 (1)9)에 따라 산정 하였다.

(1)

E ij = N j × H j × HP × DF X LF × EF ij × 1 / 10 3

여기서,

E_ij : 건설장비 j종의 작동으로 인한 오염물질 i 배출량 (kg/yr)
N_j : 건설장비 j종의 등록대수 (대)
H_j : 건설장비 j종의 가동시간 (hrs/yr)
HP : 건설장비 j종의 평균 정격출력 (kW)
DF : 열화계수
LF : 건설장비 j종의 평균 사용출력 비율 (0.48)
EF_ij : 건설장비 j종의 오염물질 i 배출계수 (g/kWh)

배출량 중 DPF로 인한 저감량의 산정은 대기환경보 전법 시행규칙 [별표 6의 3]에 따른 입자상 대기오염물 질 저감효율 80%10)를 적용하여 DPF 부착을 통한 입 자상 대기오염물질 저감량을 산정하였다.

2.1.

운용단계 입자상 대기오염물질 배출량 산정

동 연구 분석대상인 굴삭기의 1대 운용시의 입자상 대기오염물질 배출량을 출력별로 산정하였다. 배출량 산정은 식 (1)에 따른 배출량 산정식을 활용하였으며 굴삭기의 정격출력, 평균 사용출력 비율, 배출계수는 대기오염물질 배출량 산정방법 편람(IV) 내 자료를, 건 설장비 가동시간은 국토연구원 건설기계 수급조절정책 개선방안11)의 기종별 가동률 41.55%를 적용하여 Table 9와 같이 분석하였다. Tier-2단계 굴삭기의 입자상 대 기오염물질 배출량은 출력구간별로 1,039 kg/y, 910 kg/y, 1,644 kg/y, 1,305 kg/y로 산정되었으며, 평균 배 출량은 1,224 kg/y로 산정되었다.

Table 9.

Result of calculating PM emission of Tier-2 construction equipments

Construction equipment	Regulation stage	Engine power range	Result value (kg/y)
Excavator	Tier-2	19 ≤ P < 37	1,039
		37 ≤ P < 75	910
		75 ≤ P < 130	1,644
		130 ≤ P < 560	1,305
		Average	1,224

2.2.

DPF 저감량 산정

DPF를 통한 입자상 대기오염물질 저감량은 Table 9 의 Tier-2 단계 굴삭기 출력별 배출량에 배출가스저감 장치 저감효율인 80%를 적용하여 Table 10과 같이 산 정하였다. Tier-2단계 굴삭기의 DPF 부착을 통한 입자 상 대기오염물질 저감량은 출력구간별로 831 kg/y, 728 kg/y, 1,315 kg/y, 1,044 kg/y로 산정되었으며, 평균 저감량은 980 kg/y로 산정되었다.

Table 10.

Result of calculating PM emission of Tier-2 construction equipments

Construction equipment	Regulation stage	Engine power range	Result value (kg/y)
Excavator	Tier-2	19 ≤ P < 37	831
		37 ≤ P < 75	728
		75 ≤ P < 130	1,315
		130 ≤ P < 560	1,044
		Average	980

IV.

결 론

본 연구에서는 DPF의 제조공정에서 배출되는 오염 물질과 제조 이후 건설기계에 부착되어 저감되는 오염 물질량의 비교를 통해, 전과정 관점에서의 입자상 대기 오염물질 총 저감효과를 산정하였다. LCIA(Life Cycle Inventory Analysis)분석결과 DPF 1EA 생산시 입자상 대기오염물질 배출량은 약 86 kg으로 분석되었으며, DPF의 경우 법적 보증기간 3년을 내구연한으로 가정 하고 건설기계 중 굴삭기를 대상으로 하여, 3년간 DPF 로 인해 저감되는 입자상 대기오염물질량은 2,940 kg 로 분석되어, 폐기 단계를 제외한 전과정 측면에서 건 설기계 DPF부착을 통한 입자상 대기오염물질 저감효 과가 있는 것으로 분석되었다.

다음으로 DPF 1EA를 기능단위로 Cradle to Gate를 시스템 경계로 하여 LCA 분석을 수행하였다. 영향범 주별 분석결과 중 지구온난화에 대한 분석결과를 살펴 보면 DPF 1ea 제조시 약 11,700 kg CO₂-eq.가 배출되 는 것으로 분석되었으며, 배출량 기여도 분석결과 온실 가스 배출량의 약 98.7%가 촉매 원료물질 가공 공정 등에 기인한 것으로 분석되었다. 가중화 분석 결과 DPF 1ea 생산시 총 환경영향은 1.65E+00 Eco-point로 나타났으며, 영향범주별로는 지구온난화 및 부영양화 점유비율이 36.93%, 32.50%로 가장 높게 나타났다.

동 연구를 통해 DPF 제조 공정으로 인한 입자상 대 기오염물질 배출량과 운용시 오염물질 저감량을 비교 분석하였다. 다만 국내 LCI DB 및 방법론의 경우 PM10, PM 2.5 등의 미세입자에 대한 목록분석 및 특 성화 방법론 부재로 인벤토리 단순 합산인 LCIA 분석 수행으로 정밀 분석 결과 도출에 한계가 존재하였다. 주요 환경영향 범주로 이슈화 되고 있는 미세먼지에 대한 전과정 분석을 위해 고도화된 방법론 및 국가 LCI DB의 정비가 필요할 것으로 판단된다.

매연저감장치(DPF)의 전과정 분석을 통한 입자상 대기오염물질 저감효과 분석

Abstract

I.

서 론

II.

연구방법

1.

연구범위

1.1.

기능단위 설정

Table 1.

1.2.

시스템 경계 및 제외 기준

Figure 1.

1.3.

데이터 범주 및 품질

Table 2.

1.4.

가정 및 제한사항

III.

결과 및 고찰

1.

전과정 영향평가

1.1.

데이터 수집 및 계산

Table 3.

1.2.

영향평가 결과

1.2.1.

특성화(Characterization) 및 정규화(Normalization) 결과

Table 4.

Table 5.

1.2.2.

가중화(Weighting) 결과

Table 6.

Figure 2.

1.3.

DPF 생산시 입자상 대기오염물질 발생량 산정

Table 7.

Table 8.

2.

DPF 부착을 통한 운용단계 입자상 대기오염물질 저 감량 산정

(1)

2.1.

운용단계 입자상 대기오염물질 배출량 산정

Table 9.

2.2.

DPF 저감량 산정

Table 10.

IV.

결 론

사 사

References