Pilot scale KIER type EB-DEDUSTER의 성능평가

최호경, 박영옥, 손재익, 김동진1), 김진철2)

1) 한국에너지기술연구소, 2) 호서대 환경공학과

Performance Evaluation of Pilot Scale KIER type EB-DEDUSTER

H. K. Choi, Y. O. Park, J. E. Son, D. J. Kim1), J. C. Kim2)

1) Korea Institute of Energy Research,

2) Hoseo University

서  론

전기집진과 여과포 집진방식의 장점만을 살려 여과포 집진방식에 정전기력을 도입하면 하전된 먼지가 여과포 표면에 다공질 수지상 구조의 먼지층을 형성하기 때문에 압력손실의 감소로 유동저항이 줄고 먼지의 포집효율이 증가하며, 장치의 규모 및 소요동력 그리고 운전 및 유지비용을 줄일 수 있다1,2).

본 연구에서는 이러한 상용화 장치용 전기여과포 집진장치의 설계기술 확립을 위해 pilot scale KIER type EB-DEDUSTER를 설계 및 제작하고 먼지의 예비하전에 의한 여과포 집진장치의 성능변화 실험을 통하여 상용화용 전기여과포 집진장치의 최적 구조를 결정하고자 한다.

Pilot scale KIER type EB-DEDUSTER

Pilot scale KIER type EB-DEDUSTER는 여과포 집진장치와 먼지하전장치가 조합된 장치로서 다양한 종류의 먼지하전장치와 조합이 가능한 특징이 있다. Pilot scale EB- DEDUSTER의 전체적인 공정 구성을 [그림 1]에 나타내었다. 본 장치는 여과성능 및 탈진성능을 규명하기 위한 장치 본체부분, 공기중에 분산된 먼지를 전기적으로 대전시키기 위한 먼지 하전부분, 처리기체 내의 먼지농도를 조절하기 위한 먼지공급 및 분산부분, 집진장치를 통과하는 기체의 유량조절 및 배출을 위한 처리기체 흡인부분, 산업체 현상조건 모사를 위해 고온의 기체를 발생시키는 열풍발생부분, 탈진용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기 공급 및 분사부분, 실험용 장치로 유입되는 기체의 압력, 온도, 유량측정 및 시료 채취부분, 그리고 자료 획득 및 처리부분으로 구성된다.

[그림 ]  Pilot scale KIER type EB-DEDUSTER의 공정도

[그림 ]  Flat type 먼지하전장치

먼지의 하전에는 flat type 먼지하전장치를 사용하였다. [그림 2]에 본 연구에서 개발한 flat type 먼지하전장치를 나타내었다. Flat type 먼지하전장치는 톱날형 방전극과 평판형 접지극으로 구성되어 있다.

실험 방법

실험은 상온에서 여과포의 압력손실 및 집진효율을 먼지를 하전시킨 경우와 하전시키지 않은 경우에 대해 비교 측정하여 EB-DEDUSTER의 효용성을 파악하는 것이다. 실험용 여과포로는 국산 저온용 박막여과포(L-MEMFILTM, 156□×2500L×16EA)를 사용하였다. 실험용 먼지는 fly ash (MMD=17.2□, □=2.2g/□)를 사용하였고, 먼지 정량 공급장치에 의해 5.0g/S□으로 일정하게 여과포 집진장치 내로 유입시키며, 여과속도는 1m/min으로 유지하였다. 이때의 처리 유량은 19.6□/min이다.

먼지하전장치의 성능특성

[그림 3]은 처리기체의 유량을 19.6□/min으로 하고 먼지의 농도를 변화시켰을 때 먼지하전장치의 인가전압에 따른 방전량 및 먼지 하전량을 나타낸다. 그림에서 인가전압이 증가함에 따라 방전량 및 먼지의 하전량이 증가하지만 방전전류량이 약 -9kV를 넘어서면서 먼지의 하전량은 더 이상 증가하지 않는 특성을 보인다. 이러한 결과로부터 먼지하전에 의한 여과포 성능변화 실험에는 -9kV의 전압을 인가하여 실험하였다.

[그림 ]  Flat type 먼지하전장치의 방전특성 및 먼지의 하전량

압력손실의 변화

[그림 4]는 먼지의 하전 유무에 따른 여과포의 압력손실 변화경향을 나타낸다. 여과포 집진장치로 유입되는 먼지를 예비하전시킨 경우 그렇지 않은 경우에 비해 압력손실의 증가 경향이 완만하며 탈진간격도 2∼3배 가량 연장되는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 하전된 먼지가 여과포 표면에 다공질 수지상 구조의 먼지층을 형성하여 나타난 결과라 판단된다.

(a) 비하전                                 (b) 하전

[그림 ]  여과포 집진장치의 압력손실 변화

집진효율의 변화

[그림 5]는 여과포의 평균 부분집진효율 특성이다. 그림에서 두 경우 모두 약 1□정도의 입자에 대한 집진효율이 떨어지는 경향을 보인다. 그러나 여과포 집진장치로 유입되는 먼지를 예비하전시킨 경우 거의 모든 크기의 먼지에 대한 집진효율이 향상되며, 특히 미세먼지입자에 대한 포집효율의 향상이 현저함을 알 수 있다. 이것은 먼지의 포집 메커니즘에 정전기적 인력이 추가되면서 미세 먼지입자에 대한 포집이 활발해지기 때문인 것으로 판단된다. 또한, [그림 6]에서 보는 것처럼 먼지를 예비하전시킨 경우 총괄집진효율이 향상되는 것을 알 수 있다.

[그림 ]  여과포의 부분집진효율

[그림 ]  여과포의 총괄집진효율

소요 동력

[그림 ]  총 소요동력

[그림 7]은 먼지를 예비하전시킨 경우와 그렇지 않은 경우에서의 집진장치 운전에 소요되는 동력을 비교하여 나타낸 것이다. 소요동력은 흡입 팬의 동력과 탈진을 위한 공기의 압축 동력을 합한 것이며, 먼지를 하전시킨 경우는 먼지 하전에 필요한 전력에너지를 포함시킨 것이다. 먼지를 하전시키지 않은 경우 운전시간이 경과함에 따라 거듭되는 탈진조작으로 인해 공기 압축에 필요한 동력이 급격히 증가하게 되어 총 에너지가 급격히 상승하는 것을 알 수 있다. 그러나 먼지를 예비하전시킨 경우는 탈진 간격이 연장됨으로 인해 예비하전에 필요한 에너지가 추가로 사용됨에도 불구하고 총 에너지는 먼지를 하전시키지 않은 경우에 비해 매우 낮게 나타남을 알 수 있다.

결  론

본 연구에서는 실험용 pilot scale KIER type EB-DEDUSTER를 개발하였으며, 먼지의 예비하전에 의한 여과포 집진장치의 성능변화 실험을 수행하였다. 이상의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.  먼지를 예비하전시킨 경우 여과포의 압력손실 증가가 완만하고 탈진간격이 2∼3배 가량 늘어난다.

2.  먼지를 예비하전시킨 경우 먼지 포집 기작에 정전기적 인력이 추가되므로 거의 모든 크기의 먼지에 대한 집진효율이 향상된다.

3.  먼지를 예비하전시킨 경우 예비하전에 필요한 에너지가 추가로 사용되더라도 총 에너지는 먼지를 하전시키지 않은 경우에 비해 매우 낮게 나타난다.

참고문헌

1. J. D. McCain, W. G. Kistler, D. H. Pontlus, and W. B. Smith, "Electrostatic Enhancement of Fabric Filter Performance," Environ. Sci. Technol., Vol. 18, No. 9, 1984.

2. P. W. Chudleigh and N. W. Bainbridge, "Electrostatic Effects in Fabric Filters During Build-up of the Dust Cake," Filtration & Separation, July/August, 1980.