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금천씨스템(주), 배터리로 구동하는 친환경 미세먼지 집진차량 개발

자체개발한 불로워 장착, 침강먼지·자갈 속 먼지 제거·필터방식 적용… 오존배출 없어

장병극 기자 | 입력 : 2019/10/24 [13:02]

[국토매일-장병극 기자] 지하철을 이용하는 승객들은 지하역사와 전동차 내부에서 머물게 된다. 하지만 실제로 미세먼지가 발생하는 곳은 전동차가 운행하는 본선 터널이다.

 

추가경정예산이 지난 8월 국회에서 증액 확정된 이후 환경부는 미세먼지 저감 대책을 본격적으로 실행에 옮기겠다는 의지를 보이고 있다. 하지만 도시철도 운영기관 내부에서 지하 도시철도 공간에서 미세먼지가 주로 발생하는 본선 터널의 미세먼지 저감 대책을 두고 의견이 분분하다. 본선 환기구의 집진 효율을 개선시키는 기술 적용, 노후화된 공조기 개량, 전동차 하부 집진장치 장착 등 다각적인 아이디어를 고안 중이지만 철도 터널의 특수성을 고려했을 때 근본적으로 미세먼지를 저감시키는데 한계가 있다.

 

일각에서는 터널 내 정체되어 있는 미세먼지를 저감시키기 위해서는 고효율의 미세먼지 집진차량을 본선 터널에 투입시켜 다량의 미세먼지를 잡아내야한다고 말한다. 현재 전국 도시철도 운영기관에서는 고압살수차 등을 동원해 터널을 물세척하고 있지만, 세척후 느끼는 청량감과는 달리 실제로 비산되는 물방울에 의해 포집되는 먼지의 비율은 생각보다 크지 않으며, 세척 후 먼지가 제거되는 것이 아니라 잠시 가라앉는 수준에 불과하다. 오히려 철도시설물이 물에 노출되어 시설물 유지 및 안전을 저해하고, 습기로 인한 곰팡이 등 위생상의 문제도 있다는 것이 전문가들의 공통된 의견이다. 결국 4시간 이내의 미 운행 시간 동안 가장 효율적으로 터널의 미세먼지를 잡아낼 수 있는 방안도 적극적으로 검토가 필요한 시점이라는 것이다.

 

◆ 레일·전차선·자갈…도시철도 미세먼지 발생요인부터 되짚어 봐야

 

본선 터널에서 미세먼지는 대부분 전동차가 운행하는 과정에서 발생한다. △전차선과 전동차팬터그래프 간 접촉에 의한 마모분진 △레일과 전동차 차륜 간 마찰 및 마모에 의한 금속분진 △제동시 발생하는 제동패드(마찰제)의 분진 △전동차 하중을 견디는 과정에서 발생하는 자갈도상의 파쇄분진 등이 주요 발생 원인이다. 이들 미세먼지는 전동차 미운행 시간에는 터널 하부에 가라앉아 있다가 전동차가 지나가면 지하터널을 부유하게 된다. 지하역사 내 스크린 도어(PSD)가 설치되어 있지만, 개·폐 과정에서 지하역사로 유입된다. 전동차 출입문 등을 통해 객실 내부에도 미세먼지가 유입된다.

 

미세먼지의 주요 발생 원인을 줄이기 위해 △콘크리트 도상 개량 △레일 밀링차 도입 △메탈라이즈 카본계 주습판(팬터그래프) 교체 △객실 내 공기정화기 설치 등의 계획을 수립하고 일부 운영기관에서 실행중이다.

 

하지만 터널 내 철도시설물을 유지·관리하는 과정에서 발생하는 미세먼지를 저감시키는 방안도 함께 강구해야한다는 것이 전문가들의 지적이다. 특히, 시설물 점검 및 유지·관리를 위해 투입되는 작업차량(특수차)은 아직도 대부분 디젤엔진형이라 많은 미세먼지와 유해가스를 배출하고 있다. 최근 축전지/전동모터형의 친환경형 특수차들이 개발되어 신규노선에는 적용되는 추세에 있다. 하지만 기존차량을 교체하는데 있어 운영기관의 예산이 부족하다보니 소극적이다. 국가적 예산지원이 요구되는 상황이다.

 

기존의 디젤엔진형 특수차의 조속한 친환경형으로 교체함과 함께, 터널 내에 이미 존재하는 미세먼지와 계속 발생하는 신규먼지를 제거해내기 위해서는 디젤엔진을 동력원으로 사용하지 않으면서도 특정 시간 내에 터널이라는 폐쇄적인 공간에서 집중적으로 미세먼지를 포집할 수 있는 효과적인 방안의 도입이 강구되어야 한다. 이는 최신 개발된 미세먼지 집진차량의 적용이 적극 검토되어야 하는 이유이다.

 

◆ 친환경 미세먼지 집진차량은 이미 개발 완료

 

금천시스템(주)에서는 2014년부터 4년 9개월간 국토교통부 국책 과제에 참여하는 과정에서 독자적으로 미세먼지 집진차량을 개발했다. 금천씨스템(주) 곽수태 부사장은 “세계 최초로 모든 동력을 축전지(리튬배터리)로 구동하는 친환경 집진차량”이라고 설명했다. 특히, 집진차량 하부에는 자체 설계·제작한 블로워(Blower)를 장착했다. 이를 통해 터널 하부와 자갈도상에 침강된 먼지를 불어낸 후 대용량 흡입팬을 이용해 포집할 수 있도록 만들었다. 포집된 미세먼지만 고성능 필터로 걸러낸 후 깨끗해진 공기를 다시 터널로 내보내게 된다.

 

▲ 금천씨스템(주)가 개발한 친환경 미세먼지 집진차     © 금천씨스템(주) 제공

 

금천씨스템(주)이 개발한 친환경형 초미세먼지 집진차량은 3량 1편성 구성이다. 1호차와 3호차에 구동모터와 제어장치, 등이 탑재되어 있어 차량의 주행 및 제어가 가능하다. 동력원인 리튬배터리도 1호차와 3호차에 탑재했다. 배터리는 1회 충전으로 야간작업과 주행에 충분한 용량을 탑재하였으며, 1호차와 3호차는 동력과 배터리가 병렬 구조로 1량의 고장 시에도 1량만으로 구동이 가능하도록 설계하여, 고장으로 전동차의 운행에 지장을 주는 상황을 방지하게 설계하였다. 3호차에는 대형배기팬이 장착되어 2호차의 집진장치와 연결되어 있는데, 2호차에서는 블로워로 자갈속의 먼지를 불어내고 흡진구로 각종 오물, 모래, 미세먼지, 초미세먼지까지 공기와 함께 빨아들여서 필터식 집진장치에서 극초미세먼지까지 완벽히 걸려서 깨끗한 공기만을 배출하도록 했다.

 

◆ Blower·필터·배터리기술…미세먼지 포집 위해 3가지 기술 설계·적용

 

미세먼지 집진차량의 성능은 도시철도 터널이라는 특수한 공간에서 최대한의 효율과 집진능력을 발휘할 수 있어야 한다. 궤도와 자갈도상 등에 있는 혼재, 침강먼지와 공기중의 부유먼지를 대용량으로 흩날림없이 효과적으로 흡입할 수 있는 기술, 미세먼지와 초미세먼지까지를 완벽히 포집하는 여과기술, 여과 후 내보내는 배출공기의 안전성, 차량자체의 동력장치가 배출하는 오염원의 최소화, 장비의 유지관리의 용이성과 안전성 등이 관건이다.

 

금천씨스템(주)에서 개발한 미세먼지 집진차량은 지하 철도터널이라는 특수 공간에서 최적의 효율을 발휘할 수 있는 블로워를 장착했다. 침강된 먼지와 자갈 속 먼지를 빨아들이기 위해서는 먼지를 불어내는 작업이 선행되어야 한다. 만약 블로워로 먼지를 불어내지 않은 채로 집진차량을 작동시킬 경우 침강먼지와 자갈 속 먼지를 충분히 흡입할 수 없기 때문에 미세먼지 제거 능력이 현저히 저하된다.

 

▲ 초미세먼지 미세먼지 집진차에 장착된 블로워 및 흡입장치     © 금천씨스템(주) 제공

 

블로워를 사용하면 하부 침강먼지와 자갈 속 먼지가 터널 내부로 비산될 수 있다. 따라서 비산먼지가 흡입구 밖으로 나가지 않도록 특수한 흡입구조체를 만들어야만 한다. 금천시스템이 자체 개발한 블로워 일체형 흡입장치의 경우 침강먼지와 자갈 속 먼지를 불어내는 과정에서 흡입구 외부로 비산되는 것을 방지하도록 독특한 흡입체의 구조를 설계했다. 이 흡입장치는 고속주행시 상승해있다가 집진작업 시에 궤도상으로 하강하여 흡입간격을 줄이고 둘레에 고무재질의 차단막을 박스형태로 설치하여, 블로와에 의해 먼지가 비산되는 속도보다 흡입되는 공기속도를 크게 하여 먼지가 비산되지 않게 설계하였다. 

 

집진차량이 무작정 자주 다닌다고 해서 미세먼지가 획기적으로 저감될 수 있는 것은 아니다. 도시철도 터널이라는 특수한 구조와 시설물의 특수성을 고려해 1회 운행 시 침강 먼지와 자갈 속 먼지 등 터널 곳곳의 미세먼지를 포집할 수 있는 최적의 기술을 적용하는 것이 필요하다. 결국 블로워를 어떤 방식으로 설계·적용하느냐에 따라 포집능력이 크게 향상될 수 있다.

 

◆ 배터리형 특수차 생산 노하우, 집진차량에 접목시켜 개발

 

금천씨스템(주)은 국내에서 특수차를 전문적으로 제작하는 업체로 알려져 있다. 특히, 배터리로 모터를 구동시켜 동력원을 얻는 하이브리드형 엔진을 탑재한 특수차의 개발에 있어 선도적인 기술을 확보하고 있어, 축전지형 특수차를 국내는 물론 해외 수출까지 하고 있으며 ‘친환경 초미세먼지 집진차량’에도 금천시스템의 배터리형 특수차의 제작 노하우가 담겨 있다.

 

▲ 친환경 미세먼지 집진차량의 배터리박스     © 금천씨스템(주) 제공

 

집진차량은 블로워·흡기·집진·배기 등의 장치를 작동시키면서 도시철도의 등판 구배· 일일 최대 운영거리 등을 고려해 충분한 출력을 발휘할 수 있는 동력이 확보되어야만 한다. 금천시스템이 개발한 집진차량의 경우 최고속도 60km/h로 주행할 수 있는 동력을 갖추었으며, 2량의 동력차 중에 1량의 동력차가 고장이 난 경우에도 최대구배에서 운행이 가능하게 하여 운행장애를 방지할 수 있게 했으며, 만약의 경우 탈선을 해도 스스로 레일 위에 복귀할 수 있는 특허등록된 유압식 탈선복구장치를 갖추었다. 
 
◆ 집진차량에 필터형 미세먼지 여과기술 활용

 

금천씨스템(주)이 개발한 ‘친환경 미세먼지 집진차량’ 필터형 미세먼지 집진기술이 적용되었다. 금천시스템에 따르면 집진차량의 공기 흡입 유량이 최대 2,000㎥/min에 달하고, 최대 흡입 효율을 발휘할 수 있는 5~10km/h로 주행하면서 블로와로 불면서 대용량의 팬으로 빨아들이면 실제로 공기흡입량이 대단히 크고 초미세먼지의 농도가 매우 높아지기 때문에 이를 소화할 수 있는 공기여과기술을 적용할 필요가 있었다고 설명했다. 금천시스템의 미세먼지 집진차량에는 섬유필터에 의한 물리적 집진방식이 적용되었으며, 0.3㎛의 극초미세먼지는 99%, 0.5㎛의 초미세먼지는 99.8% 여과할 수 있는 최신형의 특수필터를 사용했다.

 

일각에서 제기하는 필터형 집진방식의 내구성과 유지·관리비용 등의 문제에 대해 곽수태 부사장은 “현재 필터 제작 기술이 매우 발달해있고, 자체적으로 필터세정시스템이 적용되어 필터는 최소 10년 정도 사용할 수 있다”고 설명하며, “집진차량은 최대한의 미세먼지를 효과적으로, 안전하게 잡아내기 위해 제작한 것이기 때문에 용도와 목적에 맞는 검증된 기술을 적용해야한다”고 언급했다.

 

집진차량 내부에는 여과기능을 지속적으로 유지할 수 있도록 자체적으로 자동 세정할 수 있는 기능도 탑재했다. 필터의 표면 소재가 특수 처리되어 있기 때문에 미세먼지가 잘 달라붙지 않고, 고압의 공기 제트 펄싱(Jet pulsing) 기능이 작동하면서 먼지가 필터표면에서 차량 하부로 탈락해 별도의 분진통에 수집될 수 있도록 설계했다. 특히, 눈매꿈이 거의 없어 공기저항이 적고 수명이 길기 때문에 유지·관리 측면에서 타 기술보다 효율적이라는 것이 금천시스템의 설명이다.

 

◆ 95% 이상 집진 효율 입증, 여과된 공기도 안전해야

 

금천씨스템(주)은 지난 7월 서울교통공사 연구원과 함께 집진 성능 시험을 진행한 결과 초미세먼지 집진 및 여과 능력뿐만 아니라, 선로·자갈 등에 흩어진 각종 오물과 이물질도 흡입할 수 있음을 확인할 수 있었다고 밝혔다. 또한 자체 설계한 흡입구조체의 경우 공기 흡입 시 주위의 공기를 빠른 속도로 흡입하기 때문에 먼지의 비산 우려가 없음을 입증했다고 설명했다.

 

▲ 금천씨스템(주) 곽수태 부사장     ©국토매일

금천씨스템(주) 곽수태 부사장은 “특수차량제작사로서 연구개발과제에 참여하면서 우여곡절이 많았다”고 소회를 밝히며, “부유먼지를 제거하기 위해서 주간시간에도 영업운행차량과 혼용 편성해 고속운행하며 미세먼지를 제거할 수 있는 집진차를 개발하는 방안도 제안 받았다. 하지만 고속으로 운행하면서 터널 속 부유먼지만을 집진한다면 정작 터널하부와 자갈 속에 침강된 먼지를 제거할 수 없으며, 집진효과도 집진차 운행보다 휠씬 적다는 실험결과를 보여준다. 즉, 야간에 집중적으로 서행하면서 자체 개발한 블로워를 사용해 도상에 침강된 먼지와 자갈속 먼지를 불어내어 다량의 미세먼지를 집중적으로 포집·제거하기 때문에 이후의 전동차 운행 시 먼지의 비산요인을 제거하며, 낮에 터널 공기 중의 부유먼지를 낮은 농도로 하루종일 집진하는 것보다도 휠씬 집진량이 많기 때문에 터널내 미세먼지를 줄이는데 가장 효율적인 방법이다”고 밝혔다.

 

곽 부사장은 “지하철도터널은 위험발생 요인을 사전에 차단하는 것이 필수적이다. 필터방식은 유해요소를 발생시키지 않고, 전 세계적으로 보편적으로 활용하는 검증된 공기여과기술이다. 전기집진방식의 경우 세포막을 파괴하고 폐포를 손상시킨다는 오존과 폐암의 원인이라고 WHO에서 규정한 질소산화물의 발생을 원리상 피할 수 없다. 따라서 실내나 밀폐된 공간에서의 사용에는 철저한 안전성검증이 필요하고 채택에 신중을 기해야 한다.”고 말하며 “본선 터널을 운행하는 집진차량은 2차오염을 일어키지 않는 안전한 방식으로 대량의 미세먼지를 효과적으로 제거하고, 사용상의 안전성, 유지관리의 편리성, 경제성을 갖추어야한다. 국토교통부의 국책연구과제로 금천시스템이 관련기관의 협조 하에 개발한 세계최초의 친환경 집진차량이 지하역사 및 본선 터널 공기질 개선에 크게 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

(금천씨스템(주)이 개발한 친환경 미세먼지 집진차량 동영상 : https://youtu.be/05kC2xycOPc)

 

▲ 충북 당진에 소재한 금천씨스템(주) 본사 전경     © 국토매일

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