이산화황

2. 이산화황

   

가. 성상

(1) 특성

이산화황(SO₂)은 물에 대단히 잘 녹는 무색의 자극성이 있는 불연성 가스로써 황산화물(SOx) 중 에서 가장 많은 양을 점하고 있으며, 대기중에서 산화된 후 수분과 결합하여 황산(H₂SO₄)이 된다.

(2) 성상

이산화황의 물리화학적 특성은 다음과 같다.

- 분자량 64.07, 비중 2.2630, 녹는점 -72.7℃, 끓는점 -10.2℃, 물에 대한 용해도 : 10.5g/100g

   

나. 생성 및 소멸

(1) 생성

(가) 자연적 : 화산가스, 광천 등

(나) 인위적

- 황성분이 함유된 물질의 연소, 금속의 용융·제련, 황산제조, 석유정제 및 화학비료제조 과 정 등에서 발생한다.

- 유황함유 연료의 연소시 배출가스중 95% 정도는 SO₂, 나머지는 SO₃ 와 황산염의 형태로 존재한다.

(2) 소멸

(가) 소멸기전 : 배출구에서 고농도 상태로 대기중으로 배출되면서 혼합·희석되며, 대기중 에서 물리적 현상에 따라 제거되거나 화학적 반응에 의하여 다른 물질로 변하는 등 자연적으로 소멸된다.

(나) 소멸기간 : 대기에서 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간은 약 4시간이고 전체가 소멸되는 데에는 약 25일이 걸린다.

(다) 배경농도 : 전지구적 대기중의 배경농도는 1ppb 정도로 알려져 있다.

   

다. 독성 영향

(1) 급·만성 독성

(가) 이산화황으로 오염된 대기에 노출되면 눈이나 코, 상기도의 점막 등을 통해서 감각적인 영향을 받게 되고 잇따라 생리적인 반응이 일어나며, 계속해서 노출되면 그 증상이 악화되어 급성피해가 나타나고, 이 피해가 여러 번 반복해서 일어날 때는 만성피해로 바뀐다.

(나) 급성피해로는 불쾌한 자극성 냄새, 시정감소, 생리적 장애, 압박감, 기도저항 증가 현상이 나타나고, 만성피해로는 폐렴, 기관지염, 천식, 폐기종, 폐쇄성 질환 등이 나타난다.

(다) 세계적으로 유명한 대기오염물질에 의한 피해사례를 보면 표 3.2.1과 같으며, 표 3.2.1의 피해사례중 자동차 배출가스 중의 NOx를 주체로 한 Los-Angeles의 경우를 제외하고는 이산화황이 주요 원인물질이었다.

※ 런던 스모그 사건

(라) 스모그란 smoke와 fog의 합성어로서 대기오염물질이 기온, 풍향, 풍속 등의 기상조건과 지리적 조건에 의하여 지역적으로 그 농도가 높아져 안개와 반응하여 일어나는 대기오염현상임

표 3.2.1 세계적으로 유명한 대기오염 사건

사 례	Meuse Valley (벨기에) 1930.12월	Donora (미국) 1948.10월	London (영국) 1952.12월	Los-Angeles (미국) 1954년 이후	요꼬하마 (일본) 1946년 겨울
환 경	분 지 무풍상태 기온역전 연무발생 공장지역	분 지 무풍상태 기온역전 연무발생 공장지역	하천평지 무풍상태 기온역전 연무발생 대도시	해안분지 -- 기온역전 백색연무발생 대도시	-- 무풍상태 -- 농연무발생 공장지역
피 해	평상시 사망자 수의 10배, 급 성 호흡기자극 성증 환자발생	18명 사망,인구 14,000명중 43% 가 경.중증의 자극증상 발생	3주간 4,000명 과잉사망,그후 2개월에 8,000 명 과잉사망	눈, 코, 기도, 폐 등 점막의 지속적 반복성 자극	천식발생
병 인	이산화황, 황산 불소화합물,미세 입자 등	이산화황 및 황산미세입자등	석탄연소 이산화황, 분진 등	자동차배기 등 석유계 연소의 NOx, CO, SOx, HC	불명,대기오염 추정

   

(마) 런던스모그는 공장, 빌딩, 가정 등에서 배출된 이산화황 가스와 먼지가 안개와 반응하여 생성된 것으로 스모그가 심했던 해는 1880, 1892, 1948, 1952년 등이었으며, 특히 1952년 12월 5일 런던 상공을 덮은 스모그는 가히 위협적이었으며,

(바) 그 때, 고기압성의 정체된 공기덩어리에 의하여 생성된 지속적인 기온역전층이 런던의 지표 바로 위에 걸려 있었고 바람은 거의 불지 않았으며, 안개로 인하여 습도는 약 90%로

(사) 이 상태가 5일간 계속되어 이산화황 농도는 최고 0.7ppm(우리나라 24시간 평균치 : 0.14 ppm이하)까지 올라갔다.

(아) 그 결과, 런던지역에서는 평소보다 약 4천명이나 더 많은 사망자가 발생했고, 입원환자는 48%, 외래환자는 108%나 증가했으며

(자) 입원환자 중 호흡기질환 환자의 수가 3배로 증가하는 한편, 급성 호흡기질환으로 사망한 수는 약 10배로 늘어났고,

(차) 피해 대상자들은 주로 노인, 어린이, 환자 등 비교적 허약한 체질의 사람들이었으나 전연령층에 심폐성질환이 급증하였고, 특히 45세 이상은 중증이었다.

(2) 인체 노출량 관계

(가) 대기중의 이산화황은 수용성이 크기 때문에 호흡작용에 의해 그 대부분이 상기도에 흡수 되어 기관지, 눈, 코 등의 점막을 통해 자극을 주며, 농도가 높을수록 호흡을 빨리하면 할수록 점막에 많이 흡수되고 기관지까지 도달하는 양도 많아져 그 피해도 커지며,

(나) 점막에 흡착된 이산화황은 점액과 반응하여 황산을 형성함으로써 결국 염증을 일으켜 세 균과 바이러스에 의한 2차 감염을 쉽게 하고, 이러한 기전으로 안질환을 일으킨다는 보고가 많으며, 특히 안개가 많고 습도가 높을 때 호흡기질병의 이환율이 높고 사망율도 높다는 보고도 있다.

   

라. 규제 법규 및 각종 기준

(1) 환경기준

(가) 의의 : 많은 나라들이 인간이 생활하는 환경의 질을 인간 생존에 적정한 수준으로 유지 하기 위하여 행정 목표기준인 환경기준을 설정하여 환경의 질을 평가하고 환경정책을 계획하는 지표로 삼고 있다.

(나) 근거

- 환경정책기본법 시행령 제 3조에 동 물질을 환경기준 항목으로 정하고 있으며,

- '79년도에 연평균 농도 0.05ppm으로 설정·관리해 오다 '93년 말에 0.03ppm으로 강화하였으 며 WHO 수준으로 기준을 강화하기 위한 작업을 추진중에 있다..

(다) 기준 : 표 3.2.2는 주요 국가의 이산화황 환경기준을 보인 것으로 우리나라는 다른 나라와 대동소이하다.

표 3.2.2 주요 국가별 이산화황의 환경기준

   

국 가	기 준(평균치)
	연 간	24시간	3시간	1시간	30분
WHO(`87)	0.015∼0.023	0.04∼0.06	-	0.13ppm이하	-
한 국(`93)1)	0.03ppm이하	0.14ppm이하	-	0.25ppm이하	-
미 국(`90)	0.03ppm이하	0.14ppm이하	0.50ppm이하	-	-
일 본(`90)	-	0.04ppm이하	-	0.10ppm이하	-
대 만(`75)	0.05ppm이하	0.10ppm이하	-	-	-
서 독(`86)	0.05ppm이하	-	-	-	0.14ppm이하
멕시코(`84)	-	0.12ppm이하	-	-	-

   

(2) 배출허용기준

(가) 우리나라

1) 근거 : 환경기준을 달성·유지하기 위하여 배출허용기준을 두게 되며, 우리나라는 대기환경보전법 제 9조와 관련하여 시설 및 단계별로 기준을 정하고 있으며,

2) 기준 : 시설별로 '95년까지는 300∼1,950ppm을, '96년∼'98년 사이에는 150∼1,950ppm을, '99년 이후는 150∼650ppm을 준수하도록 강화·예시하고 있으며 2003년 이후 적용할 배출기준 조정을 '99년중 추진할 예정으로 있다.

- 일부 배출시설에 대한 배출허용기준은 아래 표 3.2.3과 같다.

표 3.2.3 일반 보일러의 이산화황 배출허용기준

   

구 분	기 준(ppm)		비 고
	'96∼'98	'99∼
저황유 사용지역	540(4)	540(4)	( )안은 표준 산소농도임
기타 지역	1,950(4)	540(4)

- 작업환경에서의 허용한도는 시간가중 평균치(TWA)로 2ppm 이다.

3) 연료규제 : '81년도에 연료유의 황함량기준을 강화(B-C유 : 4%-S -> 1.6%-S, 경유 : 1%-S -> 0.4%-S)하여 서울을 시작으로 수도권 및 주요 도시지역으로 공급을 확대하고, '93년도에는 이 기준을 더욱 강화(B-C유 : 1.6%-S -> 1%-S, 경유 : 0.4%-S -> 0.2%-S)하였다.

4) 청정연료 사용 의무화 : 도시가스의 보급확대를 위해 '88년에 서울시내 2톤 이상 보일러(업무, 영업, 공공용)에 그 사용을 의무화한 이후 점진적으로 확대하고 있다.

(나) 선진국 : 미국, 일본 등 선진국의 화력발전소 SO₂ 규제치는 표 3.2.4와 같다.

표 3.2.4 미국·EC·일본의 배출규제치

   

구 분	미 국			EC	일 본3)
	신 설	기 존1)	기 존2)	기존및 신설	신설	기존
1% S의 석탄(mg/Nm3)	166	2,380	1,140	400	170	430
2.5% S의 석탄(mg/Nm3)	208	2,380	1,140	400	170	430

1 : 1995. 1. 1부터 적용

2 : 2000. 1. 1부터 적용

3 : 일본은 동경에서 유효 배출구높이를 300m, K를 1.17(신설) 및 3.0을 적용한 경우임

1) 일본

가) 일본은 '68년도에 K치규제를 시행한 이후 K값을 8차례에 거쳐 강화하였다.

나) 지역에 따라 정해진 K값(3.0∼17.5 사이의 16등급, 작을수록 엄격함)에 유효 배출구높이를 곱하여 이산화황의 배출량(K·H²·10^-3 N㎥/hr)을 규제하는 총량규제 및 연료 규제를 실시하고 있다.

다) 이러한 규제에 따라 '92년도에 내수용 B-C유의 평균 황함유율이 1.05%에 이르렀고, 배연탈황시설도 총 2,014기가 설치.운영되고 있다.

2) 미국

가) 화력발전에 의한 이산화황 배출 기여율이 80%에 상당한 것으로 보고되고 있다.

나) '90년도에 개정된 대기청정법에서 이들 중오염 석탄화력발전소의 이산화황 배출기준을 기존 및 신규시설로 구분하여 표 3.2.4와 같이 규제하고 있다.

다) 초과방지시설에 의한 여분의 배출량 저감치는 배출거래권을 인정하여 현물시장에서 거래할 수 있도록 하고 있으며,

라) 또한 5년 단위의 삭감목표를 정해 '95년 및 2000년까지 각각 500만톤씩 감소시켜 2000년에 '90년(약 2000만톤) 대비 반으로 줄일 계획이다.

- EC는 '93년에 '87년 대비 25%, 2003년에 60% 삭감 계획을 추진중에 있다.

마. 오염 현황

(1) 오염물질 배출량

(가) '80년대 후반에서 '90년대 초까지의 우리나라 1차에너지 소비량을 보면 동 기간중 석탄의 증가 추세는 찾아볼 수 없으나 석유류는 대폭 증가한 반면 LNG 및 수력·원자력 발전에너지는 다소 증가하였다.

(나) 이에 따른 오염물질 배출량도 증가하였으나 90년대 감소추세로 나타나고 있다. '97년 연료사용량을 기준으로 추정한 오염물질 총배출량은 4,365천톤으로 그중 황산화물이 1,356천톤으로 전체의 31.3%를 차지하고 있다.

그림 3.2.1 '97년 대기오염물질 배출량

   

(2) 부문별 이산화황 배출량

(가) '97년 이산화황 총배출량 1,369천톤으로 부문별 발생량을 보면 산업부문에서 46%, 발전부문 26%, 수송 21%, 난방 7%의 비율을 보이고 있다.

(나) 이산화황은 '90년을 기준으로 감소하는 추세를 보이고 있는데 이는 정부의 대기환경시책에 힘입어 황함량이 적은 유류나 LNG 등의 사용량 증가에 기인한 것이며, 특히 난방부분에서 괄목 할 만큼 줄어들었다.

그림 3.2.2. 부문별 이산화황 배출량

   

(3) 국내 1-3종 배출시설의 이산화황 배출량

표 3.2.5. 국내 1-3종 배출시설의 SO₂ 배출량 순위 (ton/yr)

   

배출시설의 SO2 배출순위	SO2	백분율(%)
국내 총배출량	1,011,534	100.00
1. 보일러	460,435	45.52
2. 발전시설	250,904	24.80
3. 기타 금속제품제조, 가공시설	65,078	6.43
4. 금속의 용융, 제련 또는 열처리시설	35,734	3.53
5. 비누, 세정제 제조시설	31,274	3.09
6. 석유정제시설	24,950	2.47
7. 아스콘제조시설	18,524	1.83
8. 기타 화학제품 제조관련시설	18,173	1.80
9. 석유화학제품 제조시설	14,482	1.43
10. 유리 및 유리제품 제조 관련시설	12,648	1.25

   

(4) 도시별 이산화황 연평균 농도

최근 10년간 우리나라의 아황산가스 농도는 저황유 및 LNG 등 청정연료의 지속적인 공급확대로 대부분의 도시에서 개선되어 장·단 기준 모두를 만족하고 있으며, 부산, 울산, 대구를 중심으로 고농도 분포를 보이고 있다.

그림 3.2.3. 7대도시의 10년간 아황산가스농도 변화추이

   

바. 문제점

(1) 자체적으로 독성이 있을 뿐만 아니라 산성비를 유발하는 대표적 오염물질로, 화석에너지의 청정화에도 불구하고 꾸준한 사용량의 증가와 국부적으로 화력발전소와 같은 대단위 배출원이 위치하거나 위치할 지역의 이산화황 배출량 증가는 피할 수 없을 것으로 보인다.

(2) 난방용 연소시설(가정, 상업)로부터 배출되는 이산화황은 청정연료의 사용으로 저감이 기대되지만 동절기 중에 오염물질이 집중 배출되는 계절적 특성이 있다.

(3) 발전용 연소시설과 같은 대단위 배출시설이 입지한 울산, 인천, 서산 등의 주변지역에서는 전국적인 이산화황 배출량의 저감에도 불구하고 오염피해가 우려되며, 이들을 일반 연소시설과 동일한 규제방식으로는 대책마련이 곤란하다.

(4) 산업용 연소시설은 B-C유를 주로 사용하고 있으며, 그 저감대책이 저황유 공급으로 되어 있어 황함유율 기준강화 및 공급물량 확보 등에 한계가 있다.

사. 대책

이산화황 저감을 위해서는 황함량이 적은 연료를 사용하는 것이 가장 바람직한 방법이겠지만, 현실적으로 연료에만 의존할 수 없으므로 배출가스중의 이산화황을 제거하는 배연탈황 장치의 설치를 활성화해야 한다.

(1) 대형 배출원에 대한 "배출허용 총량 규제제도" 도입

(2) 연료 황함유 기준의 단계적 강화 및 연료의 황함량에 따른 가격 차 확대

(3) 신규 석탄화력 발전시설은 배출허용 총량의 범위내에서 석탄가스화기술(IGCC), 유동층 연 소보일러 설치 등 저공해 발전기술의 도입

(4) 우심지역부터 대형 배출시설에 대한 배연탈황시설 설치의 의무화 등

- 선진국에서 보급되고 있는 배연탈황기술은 배출가스 중의 이산화황을 가성소다 용액에 흡수 시키는 방법, 석회석이나 백운석에 흡착시키는 방법, 황산으로 회수하는 방법, 탄소황으로 회 수하는 방법 등임

참고문헌

1. 국립환경연구원, (1998), 대기오염물질 배출량.

2. 김희강외, (1993), 대기오염개론, 동화기술.

3. 에너지경제연구원, (1994), 에너지통계연보.

4. 전국환경관리인연합회, (1994), 환경관계법규, 홍문관.

5. 환경부, (1995), 대기오염측정종합자료집.

6. John Quarles etc., (1990), The New Clean Air Act, Morgan, Lewis & Bockius.

7. OECD, (1995), OECD Environmental Data.

8. Leighton S. Cochran, (1992), Selected International Receptor-Based Air Quality Standards, Air & Waste Management Association Vol 42, No. 12.

9. S. Stallard Black & Veatch, etc., (1993), Comparison of Worldwide Emission Control Strategies and Their Effects on Plant Availability and Costs, 1993 SO₂ Control Symposium.

10. 環境廳, (平成 6年), 環境白書.

11. 環境保全對策硏究會, (平成 5年), 大氣汚染對策の 基礎知識.

   

작성자 : 대기공학과 연구관 홍지형(공학박사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-2.htm>