충격기류 탈진방식의 탈진공기 분사유량 및 압력분포 특성

임 정환, 박 영옥, 손 재익

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Characteristics of Pulse Air Volume and Peak Pressure Distribution

in Pulse-Jet Cleaning System

J. H. Lim, Y. O. Park, J. E. Son

Energy & Environment Research Dept., KIER

1. 서 론

여과포집진장치는 배가스중에 함유된 먼지입자를 여과포로 포집□제거하는 방식의 건식 집진장치로 고효율 유지가 가능한 특징이 있고 먼지배출허용기준의 계속적인 강화와 총량규제 대응에 적합하여 산업체에 가장 많이 사용되고 있는 집진장치이다.1   여과포집진장치는 다른 집진기술에 비해 부하변동 및 먼지종류에 따른 집진효율의 영향이 적고,  운전이 용이하여 최근에는 연료연소, 제품 회수공정 및 소각설비 등의 먼지발생 공정의 배기가스 처리용으로 널리 사용되고 있다.2   여과포집진장치는 탈진방식에 따라 충격기류 탈진, 역기류 탈진, 진동탈진등으로 구별한다.  충격기류 탈진방식은 탈진효율이 우수할 뿐만 아니라, 집진과 탈진조작을 동시에 수행할 수 있어 여과포집진장치의 소요면적과 부대설비가 적고,  기계적인 구동부분이 적기 때문에 고장에 대한 부담도 적어 산업체에 널리 사용되고 있다.3,4,5,6    충격기류 탈진방식은 여과포 중심부에 설치된 압축공기 노즐을 통하여 여과포의 내부로 고압의 압축공기를 순간적으로 분사하여 여과포 외부 표면에 부착된 먼지를 여과포와 분리시켜 하부로 배출시키는 방식이다.   그러나 분사된 탈진 에너지는 여과포 직경의 20-25배 정도 길이의 여과포 전체에 균일하게 전달되지 못하고 일부분에 집중되어 전달되기 때문에 탈진효율의 저하와 함께 여과포의 부분적인 파손시키고 있으며, 이런 현상이 산업체 현장에서 자주 발생하고 있다.  따라서 본 연구에서는 탈진에너지가 여과포의 전체면에 걸쳐 균일하게 분포시켜 여과포의 마모 손상을 최소화시키면서 탈진효율을 증가시킬 수 있는 탈진장치를 개발하기 위해 먼저 산업체 현장에서 발생되는 여과포의 파손 원인과 탈진효율 저하의 문제점을 파악하여 최적의 탈진시스템 구성을 목적으로 실험장치의 여과포 내에 길이 방향 등간격으로 압력측정 sensor와 여과포의 하부에 탈진공기 분사 유량 측정 장치를 설치하여 탈진공기 분사노즐 형상에 따른 압축공기의 분사형태 및 분사유량측정과 여과포 내부의 압력분포 변화를 측정하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

충격기류식 여과포집진장치의 최적 균일 탈진에너지 전달시스템을 개발하기 위하여,  여과포 내부에 길이방향 등간격으로 11개의 압력측정 sensor와 탈진공기 분사유량 측정장치를 설치하였다.   또한 탈진공기 분사시 여과포 외부에 부착된 먼지층의 털어지는 현상과 여과포의 변형 형상을 관찰하기 위해 고속 video camera를 설치하였으며,  측정자료 수집과 분석 및 실험조건 제어는 중앙 콤퓨터에서 수행하도록 하였다.   실험장치의 흐름도를 Fig. 1에 나타 내었다.

실험장치의 구성 및 설계기준은 일반 여과포 집진장치와 동일하게 하였으나,  측정기기의 부착과 장치 벽면에 의한 압력분포의 영향을 최소화하기 위하여 실험장치 몸체는 규격보다 다소 크게 설계하였다.  실험용 여과포는 산업체 현장에 설치된 여과포의 규격과 동일한 크기로 3개를 설치하여 탈진조작시 근접여과포에 미치는 영향을 관찰할 수 있도록 하였으며,  여과포의 규격과 설치간격을 변경이 가능 하도록 설계하였다.  여과포내의 압력분포를 측정하기 위한 압력sensor는 여과포에 등간격으로 11개를 설치하였다.   압축공기 저장조와 blow pipe에 고압sensor를 추가로 설치하여 압축공기 분사전후에 발생하는 압축공기의 압력차를 측정하였고, 펄스밸브를 통과한 압축공기의 압력과 펄스분사밸브에서 발생되는 압력손실을 측정하여 분사노즐에서 분사되는 1차분사유량을 계산하였다.  여과포내부로 유입되는 총유량은 1차분사유량과 벤츄리 효과에 의해 유도되는 2차유입공기량으로, 측정은 여과포 하부에 propeller type 유속계를 설치하였다.   실제 여과포에서는 정확한 총 유량 측정이 불가능하여 직경 150mm 길이 3m의 아크릴원통을 사용하였다.   최적 균일탈진에너지 시스템을 개발하기 위한 실험장치의 구성은 공기 압축기에서 발생된 압축공기를 저장하는 저장용기와 압축공기의 공급을 제어하는 펄스밸브, 여러개의 여과포를 사용할수 있게 하는 분배관(blow pipe)이 있으며,  분배관에는 여과포의 중심위치에 압축공기가 배출되는 분사노즐이 위치한다.  분배관은 3"를 사용하였으며,  분사노즐은 산업체에서 가장 많이 사용되고 있는 홀타입(hole- type)과 튜브타입(tube -type)을 사용하여 총 유량을 비교하였다.  홀타입은 분배관에 단순히 구멍을 뚤어놓은 형태이며,  튜브타입은 아주 단순한 노즐의 형상으로 길이는 60mm로 제작하였다.  실험에 사용한 노즐의 직경은 6, 8, 12, 15mm이며,  탈진공기 분사압력은 5, 6, 7□/□로 산업체 현장조건으로 하였다.  탈진공기 분사거리는 가장 적합하다고 실험적으로 결정된 90mm로 고정하였으며, 펄스밸브 개폐시간(pulse duration)은 10, 50, 100ms로 설정하여 비교하였다.   분사노즐의 형상 변화와 탈진공기의 분사압력 및 펄스밸브 개폐시간 변화에 따른 여과포 내부의 peak pressure를 측정하여 탈진조건별 탈진에너지가 여과포에 여과포에 미치는 영향을 분석하였다.   또한 탈진조건별 탈진공기의 분사형태와 벤츄리에 의한 외부공기의 유입과정을 특수 분체를 이용하여 고속 video camara로 관찰하였다.

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

3. 결과 및 고찰

가).  분사유량 변화

분사노즐의 형상과 Venturi의 유무에 따른 분사공기의 유량을 압축공기의 압력, 분사시간, 분사노즐의 직경 변화에 따라 측정하였으며,  1개의 분사노즐에서  배출되는 유량을 분사유량,  분사유량에 의하여 유입되는 2차 공기를 유입유량으로 구분하여 관찰하였다.   유입유량은 총유량과 분사유량의 차이를 나타낸다.

분사유량은 분사노즐의 형상, Venturi의 유무에 거의 영향이 없고,  압축공기의 압력, 분사노즐의 직경, 분사시간의 순서로 영향을 주는 것을 알 수 있었다.  분사유량은 압력에 증가에 따라 선형적으로 증가하였으며,  분사노즐의 직경에 따라서는 노즐의 직경이 클수록 증가 기울기가 커지는 것을 확인했다.  분사유량은 노즐직경이 15mm의 경우 3□/□의 압력에서 30□정도이었으나, 7□/□의 경우에는 63□정도이었으며,  노즐직경이 6mm인 경우 5□/□의 압력에서 20□정도이고, 7□/□의 압력에서 43□정도이었다.  분사시간 증가에 따라 분사유량도 증가는 하지만 증가율은 작게 나타났다.   노즐직경이 15mm이고 압력이 7□/□인 경우, 분사시간이 50ms에서 63□정도이고, 150ms에서는 68□정도로 나타났다. 이 결과를 Fig. 2에 나타내었다.  유입유량은 압축공기의 압력이 높고, 분사노즐의 직경이 크며, venturi가 있을때에 증가하는 것으로 알려져 있다.  즉 분사유량이 많고  유속이 빠른 경우에 유입공기의 유량이 증가하는 특징이 있다.

나) 여과포 내부 peak pressure 분포

탈진공기 분 사시 여과포 내부에 전달되는 에너지인 peak pressure 분포를 측정하기 위한 압력 측정 sensor 11개를 여과포 길이 방향으로 설치하였다.   탈진공기 분사노즐의 형태와 탈진조건에 따라 여과포 내부의 길이 방향으로  peak pressure 분포를 측정하여 탈진에너지의 전달 특성을 분석하였다.

다) 2차 유도공기 유입 현상

노즐에서 탈진공기가 분사되면 실험용 여과포 상단에 설치된 venturi로 유입되며, 이때 venturi에서는 유입된 탈진공기에 의해 주위의 외부공기가 유입된다.  외부공기의 유입형상을 venturi상단에 특수형광분체를 분산시켜 고속 video camera로 탈진공기 분사노즐의 형상과 탈진조건의 변화에 따라 관찰 분석하였다.

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 직물여과포집진

장치 국산화 개발□, 환경부, 한국에너지기술연구소,

제2단계 1차년도 년차보고서 9-1-2, 1997.

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

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

4. 최덕일 외: □배출시설별 대기오염물질 배출계수 산정에 관한 조사연구(Ⅰ)□

국립환경연구원, NIER # 87-02-197,1987

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

한국동력자원연구소, KE-89-79, 1989.

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

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

pp.603-615, 1996.

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