해염입자 및 미세먼지 제거용 고효율 Air filter의 특성 연구.

길 인섭, 김 동진, 김 상도, 손 재익, 박 영옥

한국에너지기술연구소

Characterization of High Efficiency Air filter for Removing Sea-salt and Fine Particle

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

Energy & Environment Research Dept., KIER

서 론

환경이란 우리의 생활체를 둘러싸고 직접, 간접적으로 영향을 주는 것으로 공기, 물, 땅, 산, 강, 바위 등 자연으로 존재하는 모든 것을 말하며 사회적인 것도 포함된다고 할 수 있다.  그러므로 인간은 환경을 떠나 살 수 없고 바로 자연환경의 일부이다.

전기는 현대생활에 있어서 한순간도 없어서는 안될 생활필수품이며 물, 공기와 같이 생활환경의 하나로 여겨지고 있다.  깨끗하고 이상적인 에너지로 인간의 삶을 편리하고 윤택하게 하는 반면 생산과정에서 석탄, 석유등의 화석연료를 불가피하게 사용하게되고 이로 인한 환경문제가 발생되고 있다.

국내의 전력수요는 80년도에 약 40GWh에서 90년도엔 약 100GWh, 96년도엔 약 200GWh로 최근 10년간 연 평균 약 10%이상의 증가를 지속하고 있으며 산업이 고도화되고 생활수준이 향상될수록 전기의 비중은 점점 증가할 것으로 예상되고 있다1).

이러한 전력수요의 증가는 대기오염물질 배출량의 증가로 이어지고 이를 감소시키려는 노력도 수반되어진다.  이러한 노력의 일환으로 요즘의 발전 방식은  기존화력보다 열효율이 10%정도 높고 공해가 적으며 가동정지시간이 짧아 전력계통 안정도에 기여도가 높은 복합화력발전을 사용하고 있다.  그런데 복합화력발전소는 대부분 해안가에 설치되어 있으므로 대기중에 많은 염분이 함유되어 있고 이로 인해 연소용 공기 압축기 내로 염분이 유입되어 피해를 주고 있다.  전력연구원의 결과를 보면 연소용 공기압축기 inlet casing부분의 침착 물질과 gas turbine blade의 전단부에 부착된 물질은 연소용 공기중에 함유된 염분과 gas turbine의 운전중 압축기 윤활유 증기가 유입, 탄화되어 부착된 것으로 결론을 내렸다. 압축기 윤활유 유입방지는 정제 시스템을 보완하면 가능하나 염분의 유입방지는 고기능성 집진필터의 적용으로 가능하다2).   복합화력발전소는 LNG를 연소시킨 후 발생된 고온 고압의 연소기체를 gas turbine으로 유입, 고속 회전시켜 전기를 발생하는데, 이때 고온 고압의 연소기체에는 전혀 해염 및 먼지입자가 함유되지 않아야(particle free high temperature & pressure flue gas)하며, 또한 gas turbine blade의 냉각공기에도 전혀 해염 및 먼지  입자가 함유되어 있지 않아야 한다.  .

본 연구에서는 1차년 도에 수행한 수입 Air filter의 기초자료로 토대로 본 센터에서 개발한 해염 및 미세먼지 제거용 air filter의 성능을 실험을 통해 그 성능을 평가하고자 한다.

실험용 필터

본 연구에 사용된 air filter 섬유의 직물 구조 및 단일섬유의 형상을 전자현미경으로 500배로 확대하여 <그림 1>에 나타냈다.  그림을 보면 단일섬유의 형상은 직사각형이며 직조의 구조는 단일섬유들이 서로 엉킨 상태로 3차원 구조 형상을 나타냄을 알 수 있다.

a) 실험용필터(포집면)                 b) SEM(포집면)

<그림 1> 실험용 필터사진 및 전자현미경사진.(Magnification ×500)

실험용 먼지

본 연구에 사용된 실험용 먼지는 두 가지를 사용하였다.  우선 해염 제거 성능평가를 위해 해안가에서 48시간 동안 impactor를 이용하여 대기중에 부유한 해염의 NMD(Number mean diameter)를 구하였다. 이때의 입자크기는 약 0.5□에서 8□사이였다. 이 분석 결과를 이용하여 포집이 가장 어려운 입자크기인 0.5□에서 1□사이의 Na+입자를 발생시켰다.  입자 발생은 Nacl 0.1N용액을 40psi의 압력 하에서 Atomizer를 이용하여 입자를 발생시켰다. 또한 미세먼지 제거성능 실험을 위하여 대기중 먼지와 AC fine dust를 이용하여 본 실험에 사용하였다. 실험용 먼지중 AC fine road dust로 MMD가 1.44□이다. 먼지형상이 매우 불규칙하고 일반적인 대기중 먼지의 형상과 비슷하여 본 실험용 필터의 성능 실험에 적합하다고 판단하였다.

실험 방법

실험장치는 본 연구소에서 개발한 Flat sheet filter test unit로  <그림 2>에 실험장치 사진을 나타내었다. 실험장치는 실험용 먼지공급 및 분사부분, filter test부분, 청정기체 흡인부분, 압력손실, 유량측정 및 시료채취부분, 자료획득 및 처리부분, 해염발생장치(Atomizer) 부분, 해염 농도 측정부분으로 구성되어있다.

해염포집효율 측정을 위한 실험은 0.1N Nacl용액을 Atomizer에 넣은 후 압축공기를 이용하여 장치내로 분사하였다. 이때의 여과속도는 1m/min이고, 여과면적은 0.09m2이었다. 이때 장치의 입·출구에는 Miniature fiber optic spectrometer를 이용하여 Na+의 농도를 측정하였다.

미세먼지 제거 실험은 실험용 먼지를 정량으로 공급하기 위해 먼저 고온건조기에서 110℃정도로 유지한 조건에서 12hr 정도 건조시킨 후 상온건조기에서

<그림 2> 실험용 장치 사진

24hr 건조하여 실험실 온도와 같은 조건으로 냉각하여 사용하였다.

실험장치는 3단으로 상단은 실험먼지 확산부분, 중앙단은 여과포 성능 실험부분, 하단은 여과포를 통과한 유량측정부분으로 구성되어있다. 이 장치의 상단에는 유입되는 공기와 먼지가 균일하게 분산되도록 하기 위해 다공판(perforated plate)을 설치하였다. 여과포 성능 실험부분의 상단과 하단의 중앙에는 시료채취구를 설치하여 장치로 유입되는 입구먼지와 여과포를 통과한 출구먼지의 농도와 입자크기분포를 API Aerosizer(Mach Ⅱ & LD)로 측정하였다. 먼지층과 실험용 여과포를 통과할 때 걸리는 저항인 압력손실은 analog pressure와 digital pressure indicator에서 판독하였다.

결과 및 고찰

실험용 필터에 의한 염 입자 및 먼지 포집 실험을 수행하기 전에 먼저 실험용 필터 자체의 압력손실인 청정필터의 압력손실을 <그림 3>에 나타내었다. 그림에서 보면 여과속도가 증가함에 따라 실험용 필터의 압력손실도 증가하는 경향을 나타내었다.  이것은 통과 기체에 대한 실험용 필터의 저항특성을 나타내는 것으로, 여과속도 증가에 따른 필터의 압력손실 변화에 영향을 미치는 인자에는 여과속도, 유체의 점도, 필터의 물리적 특성 및  기하학적 구조 등이 있다.  일반적으로 air filter는 대기중 먼지만을 포집하므로 일반 여과포에 비해 여과저항이 작으며 이런 의미에서 초기 압력손실은 매우 중요하다3).

gas turbine용 air filter system에 적용되는 청정 air filter의 압력손실은 17.347m3/min의 유량이 통과할 25.4mmH2O로 규정하고 있기 때문에 압력손실 자체는 기준치에 적합하다고 본다.

실험필터의 먼지부하시 압력손실 및 해염 및 미세먼지의 집진효율, 먼지형성

과정 등은 결과정리중이며 3월말까지 완료할 예정이다.

<그림 3> 청정여과포의 압력손실경향

참고문헌

1) 한국전력연구원 자료 인용.

2) 박영옥 외, □저 압력손실 분리형 복합화력 발전 유입공기 정화용 필터 국산      화 개발□.  무상양허사업 결과 보고서., 20p.(1999).

3) 길인섭 : □Oxipan이 첨가된 난연여과포의 성능 규명 연구, 충남대학교 학위      논문, 38p, (1998).