KIER Type CYBAGFILTER의 압력손실 및 먼지통과율 특성

김상도, 박영옥, 손재익

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Characteristics of Pressure Drop and Penetration in KIER Type CYBAGFILTER

S.D. Kim, Y.O. Park, J.E. Son

Energy & Environment Research Dept., KIER

1. 서  론

현대 산업의 급속한 발전으로 인해 불가피하게 생성되는 대기오염물질은 인체에 유해한 영향을 끼친다.  그중 가장 유해한 오염물질로는 먼지입자라 할 수 있는데, 이는 주로 유류 및 석탄연소공정, 자동차, 제철/제강 공장, 시멘트 제조 공정 및 폐기물 소각공정 등의 각종 연소, 생산 및 제조공정에 발생되고 있다.  대부분의 산업 공정에서 배출되는 미세먼지 입자는 기존의 집진장치로 거의 포집 제거가 불가능하여 대기중으로 방출되고 있는 실정이다.  특히 8□ 이하의 미세먼지입자는 호흡시 호흡기로 유입되어 침착된다고 보고되고 있다1).  이러한 미세먼지를 포집 제거하기 위해서는 고효율의 미세먼지 제거장치가 필요하다. 현재까지의 집진장치에서 여과포집진장치는 다른 집진기술에 비해 미세먼지에 대한 집진성능이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다.  그렇지만 큰 입자들을 직접 여과포에서 제거하게 되면 압력손실이 급격히 증가하거나 여과포에 대한 파손의 우려를 가지고 있어 전단에 큰 입자들을 제거하기 위한 원심력집진장치를 설치하여 사용하고 있으므로 장치의 면적이 많이 소요되고, 여과속도가 증가하게 되면 압력손실이 급격하게 증가하므로 장치의 면적을 크게 해야만 한다는 단점을 가지고 있다.  이러한 문제 해결 방법의 일환으로 1996년부터 환경공학선도기술개발사업(G7)으로 원심력집진기의 원리와 여과포집진기술의 원리를 접목한 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER를 개발하여 연구를 수행하여 오고 있다2,3).

본 연구에서 개발된 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER는 입구부, 내통부(기존 원심집진장치의 배출관), 본체부로 구성되어 있으며 입구부 및 내통부를 각각 3가지의 형상을 제작하여 각 형상들을 교체하면서 압력손실 및 먼지통과율 특성을 알아보았다.  또한 기존의 여과포집진장치와의 압력손실 및 먼지통과율 특성을 비교하여 보았다.

2. 실험장치 및 실험

가) 실험장치

KIER Type CYBAGFILTER의 공정도를 Fig. 1에 나타내었다.  실험장치의 주요 구성은 고온의 기체를 발생시키는 열풍발생부분, 고온기체내의 먼지의 농도를 조절하기 위한 실험용먼지 공급 및 분산부분, 먼지 종류별 여과성능 및 탈진특성을 규명하기 위한 실험용 CYBAGFILTER 부분, Pulse air 공급 및 분사부분, 실험용 여과포집진장치에 통과하는 기체의 유량조절 및 배출을 위한 청정기체 흡인 부분, 압력손실·유량측정 및 시료 채취 부분, 자료 획득 및 처리 부분 등으로 구성되어 있다.

CYBAGFILTER는 하부의 원심력집진기와 상부의 여과집진기의 조합형으로 구성되어 있으며,  유입된 먼지들은 1차적으로 큰 입자들은 하부의 cyclone에 포집되고 미세먼지들은 상부의 bag filter에 포집되게 된다.  실험장치는 직경이 873mm, 높이가 3957mm 이며, 상부의 여과집진기에는 각각 3열로 총 9본의 여과포를 설치할 수 있도록 되어 있다.  적용되는 여과포의 규격은 직경 156mm, 길이 2,000mm 이며, 적용여과포는 본 과제의 일환으로 개발된 난연여과포를 사용하였다.

나) 실험

실험용 먼지로는 석탄연소공정의 미분탄 연소로에서 발생되어 전기집진기에 의해 포집된 회(fly ash)를 채취하여 사용하였으며, 채취한 fly ash의 평균입자크기는 16.7□ 이었다.  실험조건으로는 상온상태에서 여과속도를 2m/min 조건으로 하였으며, 먼지농도를 5.0g/Sm3으로 하였다.  압력손실은 입·출구 및 집진장치의 각 부분에 총 6 지점에서 측정하였다.  실험에 사용된 입구형상 및 내통형상은 각각 3가지가 사용되었으며, 설계사양은 Table 1과 같다.

Table 1. Inlet and inner tube type of CYBAGFILTER.

입구 형상	내통 형상
Type 1 ∀ [eqn: phi]150 Type 2 ∀ a=167.5mm, b=83.75mm Type 3 ∀ a=188mm, b=94.1mm	Type 1 ∀ [eqn: phi]500 × 285H Type 2 ∀ [eqn: phi]530 × 285H Type 3 ∀ [eqn: phi]560 × 285H

3. 결과 및 고찰

가). 압력손실 특성

본 실험은 탈진조작이 수행되지 않는 조건 및 상온에서 수행되었다.  입구형상을 일정하게 하고 내통형상을 교체하였을 때 압력손실은 하부의 cyclone 부에서는 내통직경이 증가함에 따라 압력손실은 작게 나타났지만 bag filter 부에서는 내통직경이 증가함에 따라 압력손실 증가율이 더 큰 것으로 나타나 전체적으로는 내통이 증가함에 따라 압력손실은 큰 것으로 나타났다.  표준형 cyclone은 출구관 직경이 증가하면 압력손실은 감소하지만 부분집진효율은 직경이 작을수록 성능이 좋은 상반관계를 가지고 있다4,5).  따라서 cyclone의 출구관이 작아질수록 부분 집진효율이 증가한다는 것과 비교하여 볼 때, 출구관이 증가함에 따라 큰 입자들이 bag filter 부로 배출되어 압력손실이 높아지는 것으로 추측되는 바이다.  내통형상을 일정하다고 보았을 때는 입구형상이 원형보다는 사각형일 때가 압력손실이 적었고, 또한 단면적을 적게 하였을때 압력손실이 더 적은 것으로 나타났다.

나) 기존 집진장치와 성능 비교

KIER Type CYBAGFILTER의 압력손실 및 먼지통과율을 기존의 여과포집진장치와 비교하여 보았다.  기존의 여과포집진장치는 pulse-jet 형식으로 총 16본의 여과포가 설치되며, 여과포로는 고온사여과포를 적용하였고, 사용 먼지는 fly ash, 먼지농도 0.8g/m3, 여과속도 1.0, 1.5m/min이 적용되었다.  Fig. 2는 압력손실을 나타낸 것으로 기존의 집진장치는 초기의 압력손실이 매우 낮지만 먼지부하량이 증가하면 압력손실이 급격하게 증가한다.  하지만 CYBAGFILTER는 초기의 압력손실이 장치의 특성상 높게 나타나지만 먼지부하량이 증가함에 따라 압력손실은 증가율은 기존 집진장치에 비하여 매우 적게 나타남을 볼 수 있다.  이는 기존의 여과포집진장치는 유입된 먼지들이 직접 여과포에 부착되어 압력손실이 급격하게 증가하지만, CYBAGFILTER에서는 유입된 먼지들이 하부의 cyclone에 포집되어 상부 bag filter로 상승하는 먼지부하량 및 상대적으로 큰 입자들의 상승을 감소시켜 주기 때문에 압력손실의 증가가 완만하게 나타나는 것으로 보여진다.

Fig. 3은 먼지통과율을 비교하여 나타낸 것으로 초기의 먼지통과율은 여과속도가 높기 때문에 CYBAGFILTER가 높게 나타나지만 먼지부하량이 증가함에 따라 먼지통과율은 비슷하게 나타났다.  이는 CYBAGFILTER에 적용된 여과속도가 2.0m/min으로 기존 집진장치에 비해 1.3-2배정도 높고 여과농도가 높은 값을 고려하였을 때 먼지통과율 측면에서도 CYBAGFILTER의 성능이 뛰어나다는 것을 예측 할 수 있다.

4. 결  론

원심력집진기의 원리와 여과포집진장치의 집진원리를 접목한 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER에 대한 압력손실 및 먼지통과율 특성을 알아보았고, 기존의 집진장치와 성능을 비교하여 보았다.  기존의 집진장치에 비하여 압력손실은 매우 낮게 나타남을 확인할 수 있었고, 먼지통과율 역시 성능이 보다 뛰어남을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 환경공학선도기술개발(G7) 사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

Fig. 1 Schematic diagram of pilot scale KIER Type CYBAGFILTER.

참고문헌

1. W.C. Hinds, "Aerosol Technology, Properties, behavior and measurement of

Aerborne Particles", John Wiley & Sons, New York, pp. 2-10(1982)

2. 손재익 외 20명, □산업용 직물 여과포집진장치 국산화 개발(Ⅰ)□, 환경부

연구보고서, KIER-956326(1996).

3. 손재익 외 24명, □산업용 직물 여과포집진장치 국산화 개발(Ⅱ)□, 환경부

연구보고서, KIER-966417(1997).

4. M.W. First, Sc. D. Thesis, Harvard University, Boston (1950).

5. Iinoya, "집진공학□, 일간공업신문사, p. 52 (1980).

Fig. 2 Comparison of pressure drop versus particle loading between

KIER Type CYBAGFILTER and the existing apparatus.

Fig. 3 Comparison of penetration versus particle loading between

KIER Type CYBAGFILTER and the existing apparatus.