충격기류 탈진방식 여과포 집진장치에서 벤츄리와 노즐 형상이

분사 유량 및 Peak pressure에 미치는 영향

임 정환, 박 영옥, 손 재익, 윤 오섭*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 대전산업대학교 환경공학과*

Effect of Venturi and Nozzle Type on Pulse Air Volume and Peak Pressure in Pulse-Jet Cleaning System

J. H. Lim, Y. O. Park, J. E. Son, O. S. Yoon*

Energy & Environment Research Dept., KIER,

Dept. of Environment Engineering, Taejon National University of Technology*

1. 서 론

충격기류식 여과포 집진장치는 산업체에 가장 많이 사용되고 있는 건식 고효율 집진장치이다.   여과포 집진장치는 다른 집진장치에 비해 부하 변동 및 먼지 종류에 따른 집진 효율의 변화가 작고,  운전이 용이하여 최근에는 연료 연소, 소각 설비 외에 제품 회수 등의 먼지 발생 공정의 배기가스 처리용으로 널리 사용되고 있다.1,2

충격 기류 탈진 방식은 여과포 중심의 상부에 설치된 압축 공기 노즐을 통하여 여과포의 내부로 고압의 압축 공기를 순간적으로 분사하여 여과포 외부 표면에 부착된 먼지를 여과포와 분리시켜 하부로 배출시키는 방식으로, 탈진 효율이 우수할 뿐만 아니라, 집진과 탈진 조작을 동시에 수행할 수 있어 여과포 집진장치의 소요 면적과 부대설비가 작고,  기계적인 구동 부분이 적기 때문에 고장에 대한 부담도 작아 산업체에 널리 사용되고 있다.3,4,5

그러나 분사된 탈진 에너지는 여과포 직경의 20 - 25배정도 길이의 여과포 전체에 균일하게 전달되지 못하고 일부분에 집중되어 전달되기 때문에 탈진 효율의 저하와 함께 여과포의 부분적인 파손시키는 현상이 산업체 현장에서 자주 발생하고 있다.  또한 탈진 공기의 압력이 약해지면 탈진 효율이 저하하기 때문에 여과포의 길이를 3m이상으로 하는 것이 곤란하다.6

따라서 본 연구에서는 탈진 에너지가 여과포의 전체 면에 걸쳐 균일하게 분포시켜 여과포의 마모와 손상을 최소화시키면서 탈진 효율을 증가시킬 수 있는 탈진 시스템 구성 기술을 개발하기 위해 먼저 산업체 현장에서 발생되는 여과포의 파손 원인과 탈진 효율 저하의 문제점을 파악하여 최적의 탈진 시스템 구성을 목적으로 실험 장치의 여과포 내에 길이 방향 등 간격으로 압력 측정 sensor와 여과포의 하부에 탈진 공기 분사 유량 측정 장치를 설치하여 벤츄리와 노즐의 형상이 분사 유량과 여과포 내부의 Peak pressure에 미치는 영향에 대하여 알아보았다.

2. 실험 장치 및 방법

충격기류식 여과포 집진장치의 최적 균일 탈진 에너지 전달 시스템을 개발하기 위하여,  여과포 내부에 길이 방향으로 압력sensor와 탈진 공기 분사 유량 측정 장치를 설치하였다.   또한 탈진 공기 분사시 여과포 외부에 부착된 먼지층의 털어지는 현상과 여과포의 변형 형상을 관찰하기 위해 고속 video camera를 설치하였으며,  측정 자료 수집과 분석 및 실험 조건 제어는 중앙 컴퓨터에서 수행하도록 하였다.   실험 장치의 흐름도를 Fig. 1에 나타내었다.

실험 장치의 구성은 공기 압축기에서 발생된 압축 공기를 저장하는 저장 용기와 압축 공기의 공급을 제어하는 펄스 밸브, 여러 개의 여과포를 사용할 수 있게 하는 분배관(blow pipe)이 있으며,  분배 관에는 여과포의 중심 위치에 압축 공기가 배출되는 분사 노즐이 설치된다.

실험 장치의 구성 및 설계 기준은 일반 여과포 집진장치와 동일하게 하였으며,  실험용 여과포는 산업체 현장에 설치된 여과포의 규격과 동일한 크기로 3개를 설치하여 탈진 조작시 근접 여과포에 미치는 영향을 관찰할 수 있도록 하였다.

여과포 내의 압력 분포를 측정하기 위한 압력sensor는 여과포에 등 간격으로 11개를 설치하였으며,  압축 공기 저장 용기와 blow pipe에 고압sensor를 추가로 설치하여 압축 공기 분사 전후에 발생하는 압축 공기의 압력 차를 측정하였다.

여과포 내부로 유입되는 총 유량은 1차 분사 유량과 외부에서 유도되는 2차 유입 공기 량으로, 여과포 하부에 propeller type 유속계를 설치하였다.   실제 여과포에서는 정확한 총 유량 측정이 불가능하여 직경 150mm 길이 3m의 아크릴 원통을 사용하였다.

분배 관은 1"를 사용하였으며,  분사 노즐은 산업체에서 가장 많이 사용되고 있는 홀 타입(hole- type)과 튜브 타입(tube -type)노즐과, 벤츄리와 노즐을 일체형으로 하여 개발한 3A-Nozzle과 COM-Nozzle을 사용하였다.  홀 타입은 분배 관에 단순히 구멍을 뚫어 놓은 형태이며,  튜브 타입은 아주 단순한 노즐의 형상으로 길이는 60mm로 제작하였다.   또한 COM 노즐은 벤츄리를 노즐과 일체형으로 한 노즐로 실험에 사용한 노즐의 직경은 6, 8, 10, 12, 15mm이며,  3A-Nozzle은 벤츄리 형상의 노즐 내부에 압축 공기 저장 공간을 만들고 벤츄리의 목 부분을 분리시킨 형태로 되어 있으며, 목 부분의 간격을 조절 할 수 있는 형태로 제작되었다.  탈진 공기 분사 압력은 5, 6, 7□/□로 산업체 현장 조건으로 하였다.   펄스 밸브 개폐 시간(pulse duration time)은 30, 50, 100ms로 설정하였다.   탈진 공기의 분사 압력 및 펄스 밸브 개폐 시간 등 탈진 조건에 따른 노즐 및 벤츄리가 여과포 내부의 peak pressure와 유입 유량에 미치는 영향을 분석하였다.

Fig. 1. Schematic flow diagram of Pulse-Jet Cleaning System.

3. 결과 및 고찰

가).  분사 시간 및 유량 변화

일반적인 분사 시간은 펄스 밸브에 전기가 흐르는 시간을 말하며, 실제 분사 시간은 blow pipe 내부의 압력이 증가되었다가 감소되는 시간으로, 압축 공기가 여과포 내부로 분사되는 시간으로 규정하였다.   실험에 의하면 다른 조건이 일정할 때 분사 노즐의 지름이 작을 수록 분사 시간은 길어지고, 내부 압력이 높게 유지되어 압축 공기 저장 용기에서 분사되는 분사 유량은 감소하였다.  그러나 15mm 노즐에서는 12mm노즐과 분사 시간 및 분사 유량이 비슷한 값을 나타내어 압축 공기 저장 용기의 용적도 분사 유량에 영향을 미치는 것으로 사료된다.

분사 유량은 분사 노즐의 형상, Venturi의 유무에 거의 영향이 없고,  압축 공기의 압력, 분사 노즐의 직경, 분사 시간의 순서로 영향을 주는 것을 알 수 있었다.  분사 유량은 압력에 증가에 따라 선형적으로 증가하였으며,  분사 노즐의 직경에 따라서는 노즐의 직경이 클수록 증가 기울기가 커지는 것을 확인했다.

분사 유량은 분사 시간이 100ms이고 노즐 직경이 15mm의 경우, 5□/□의 압력에서 14□정도이었으나, 7□/□의 경우에는 18□정도이었으며,  노즐 직경이 6mm인 경우 5□/□의 압력에서 6□정도이고, 7□/□의 압력에서 11□정도이었다.  분사 시간 증가에 따라 분사 유량도 증가는 하지만 증가율은 작게 나타났다.  노즐 직경이 15mm이고 압력이 7□/□인 경우, 분사 시간이 30ms에서 9□정도이고, 100ms에서는 18□정도로 나타났다.  이것은 전기적인 분사 시간보다는 실제 분사 시간을 나타내는 blow pipe 내부의 압력이 실제 탈진에 영향을 주며,  탈진 장치의 적절한 설계로 blow pipe 내부 압력을 조절하여 목적하는 탈진 효율을 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.   이 결과를 Fig. 2에 나타내었다.

유입 유량은 압축 공기의 압력이 높고, 분사 노즐의 직경이 크며, 벤츄리가 있을 때에 증가하는 것으로 알려져 있으나,  본 실험에서는 벤츄리가 없는 경우에 유입 공기의 유량이 많은 것으로 나타나 수치 해석을 도입하기로 하였다.

나) 여과포 내부 peak pressure 분포

탈진 공기를 분사할 때 여과포 내부에 전달되는 에너지를 여과포 표면에 압력을 측정하여 peak pressure를 측정하였다.  탈진 공기는  분사 노즐에서 분사되면서 빠른 속도로 여과포의 하부로 이동하며 압축 공기의 특성에 따라 여과포 방향으로 팽창하면서 여과포의 표면에 압력을 주는 것으로 나타났다.

노즐의 형상에 따른 peak pressure측정 결과 여과포 상부에서는 H 형상의 노즐이 T 형상의 노즐보다 여과포 상단에 가까운 곳에서 최대 값을 나타냈다. 이것으로 노즐의 형상에 따라서 압축 공기의 분사 형상이 다르다는 것을 알 수 있었다.  또한 여과포 최 하단에서는 H 형상보다 노즐이 T 형상의 노즐의 경우에서  peak pressure가 높게 측정되었다.

벤츄리의 탈진 조건에 따라 여과포 내부의 길이 방향으로 peak pressure 분포를 측정한 결과 벤츄리의 고유 목적인 유입 공기량 증가, 탈진 에너지 증가보다는 마찰에 의한 탈진 에너지 감소와 유체 흐름을 변화시키는 것으로 나타났다.  이 결과는 전산 수치 해석을 이용하여 벤츄리와 노즐 형상에 따른 압력 분포를 예측하여 실험 자료와 비교하기로 하였다.

감사의 글

본 연구는 환경부가 지원하는 선도기술사업(G-7프로젝트)의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 황계순, 공성용: □펄스-젯 여과집진기에서의 최적 탈진 시스템□,

한국환경공학회지 Vol.19. No.9. pp.1193-1204. 1997.

2. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김상도: □고효율 집진기술 산업용 직물여과포

집진장치 국산화 개발□, 환경부, 한국에너지기술연구소,

제2단계 1차년도 년차보고서 9-1-2, 1997.

3. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김홍룡 : □산업용 고효율 여과포 집진기술

개발 □, 환경부, 한국에너지기술연구소, 제1단계 3차년도 단계보고서 9-1-2,1997.

4. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환: □유연탄 활용과 환경공해 방지대책연구 (Ⅴ),□

한국동력자원연구소, KE-89-79, 1989.

5. 박영옥, 구철오, 임정환, 김홍룡, 손재익, 이영우: □충격기류 탈진방식 여과포

집진장치에 의한 먼지 제거 특성 연구□, 한국폐기물학회지, Vol.13, No.5,

pp.603-615, 1996.

6. Richard Dennis and John Wilder :"Fabric Filter Cleaning Studis", EPA Final     Report, EPA-650/2-75-009(1975).

Fig. 2 Relation between pulse air flow and pulse air pressure .