중·고온용 합성여과포의 온도변화에 따른 기초성능특성 연구.

길 인섭, 박 영옥, 구 철오, 김 상도, 손 재익

한국에너지기술연구소

A study on characteristics of Flame Medium-high Temperature Synthetic Filter

in terms of Temperature change.

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

Energy & Environment Research Dept., KIER

서 론

국내 산업체의 보일러와 비철정련공정의 후처리 설비뿐만  아니라 다양한 분야에서는 중·고온(270∼350℃)용 여과포가 필수적이다.  그러나 국내에는 이러한 실정에 맞지 않는 여과포의 적용으로 많은 문제점이 나타나고 있다. 실례로 미국의 B업체에서 공급하는 #448-615의 여과포를 국내의 벙커 C유 보일러 가동업체와 알미늄 용해로에서 적용한 결과 노점이하의 운전으로 산부식이 발생하여 여과포 하단부위에 구멍이 발생하였고 높은 온도와 내마모로 인하여 화재가 발생하여 녹거나 심한 수축으로 인한 구멍이 발생하였다. 선진 외국의 경우에서도 고온에서 연속적으로 사용할 수 있는 여과포를 개발하기 위한 연구는 계속적으로 진행되고 있지만 아직 까지도 개발하여 상용화한 경우는 드문 실정이다.        따라서 본 연구에서는 고집진 장치의 성능을 향상시키고, 화재로 인한 손실 및 다른 공정의 위험을 없애기 위해 개발된 중고온용 여과포를 각 온도별로 물성변화특성을 규명하고 Fly ash를 실험용먼지로 하여 운전 조건의 변화에 따른 중고온용 여과포의 여과성능 특성을 규명하였다.

실험용 여과포

본 연구에 사용된 여과포는 Technora와 Anti-flame fiber를 사용하였고 표면처리는 불소계 고분자 중합체로 pH가 5±1인 TH-FC를 사용하였고 직포로 제조하였다. Table 1.에는 실험여과포의 물리적 특성을 나타내었다.

실험여과포의 단섬유의 강도는 동일 중량의 steel의 8배, Glass나 Nylon의 3배에 상당하며 내충격성이나 내절단성에도 우수하며 충격과 접혀짐은 물론 계속적인 힘에도 매우 부드럽게 적응하며 열팽창 및 열수축계수가 낮은 특성을 갖고 있다1).

Fig. 1에는 실험여과포를 상온과 270℃에서 24시간 방치한 여과포를 비교하여 나타냈다. Fig. 1에서 보듯 실험여과포는 가열에 의한 용융은 되지 않고 탄화되기 때문에 순간적으로 반사하거나 열을 차단하여 순간적인 고온에서도 매우 잘 적응한다. 단섬유의 TGA분석결과 N2와 공기중 모두 500℃에서 분해되기 때문에 250℃이상에서는 상온의 70%이상의 강도를 갖고 있으며 장기간 사용이 가능하다.

또한 실험여과포는 화학약품에 대한 저항성이 우수하여 유기용제는 물론 산 알카리에 대해서도 높은 저항성을 갖고있다. 내화학 약품성은 Glass Fiber, Carbon, Asbestos, Polyester 등보다도 특이하여 새로운 용도로 사용할 수 있다.

Table 1. 실험여과포의 물리적 특성.

항 목	기본성능	비 고
색 상	진회색
밀 도	1.39g/a.cm3
단섬유 직경	12□□
인장강도	28g/de	g/de = 9×□
	350Kg/mm2
파단신도	4.6%
열분해 개시온도	500℃
연소율	6800□/g
비 열	0.26□/g.℃
한계산소지수	25%
평균수분율	2%

a) 상 온                  b) 270℃에서 24시간 방치

Fig. 1. 실험여과포의 외형사진

실험 방법

실험장치는 본 연구소에서 개발한 Flat type 기초실험장치로 실험용 먼지공급 및 분사부분, filter test부분, 청정기체 흡인부분, 압력손실, 유량측정 및 시료채취부분, 자료획득 및 처리부분으로 구성되어있다.

실험용 먼지는 석탄연소공정에 설치된 집진장치에서 포집된 먼지로 미분탄의 연소로에서 발생되어 전기집진기에 의해 포집된 회(fly ash)를 채취하였다. 포집된 먼지는 Lenze Frequenzumrichter Reihe 8100A Jetmill을 이용하여 평균입자크기가 3.6□로 분쇄하여 사용하였다. 이는 일본 공업규격(JIS) Z 8901 16종의 규격에 상응하는 입자크기로 나타났다.

실험용 먼지는 정량으로 공급하기 위해 먼저 고온건조기에서 110℃정도로 유지한 조건에서 12hr 정도 건조시킨 후 상온건조기에서 24hr 건조하여 실험실 온도와 같은 조건으로 냉각하여 사용하였다.

장치는 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 판독하며, 실험용 여과포를 통과한 유량은 장치의 외부에 설치된 digital flow indicator로 측정하였다. 이때 시험용 여과포의 면적은 0.4m2로 원단상태로 제조하여 사용하였다.

입구 분진농도 Ci(g/m3)는 1, 3, 5g/m3의 각 조건마다 여과속도 V(m/min)를 3, 4, 5m/min로 변화시키며 시험 분진의 공급유량을 Si(g/min) = CiVA의 관계식으로 결정했다. 여기서, A(m2)는 실험용 여과포의 먼지 포집면적이다. 한 조건의 실험이 끝나면 먼지가 부하된 여과포를 꺼내어 분석용 천칭에서 무게를 측정하고 청정상태에서 여과포 무게와의 차로 먼지포집량을 계산하였다.

결과 및 고찰

실험용 여과포에 의한 먼지 포집 실험을 수행하기 전에 먼저 실험여과포 자체의 압력손실인 청정여과포의 압력손실을 상온에서 방치한 여과포와 270℃에서 24시간 방치한 여과포를 여과속도의 변화에 따라 측정하여 그 결과를 Fig. 2.에 정리하였다. 그림에서 알 수 있듯이 여과속도가 증가함에 따라 실험용 여과포의 압력손실도 증가하는 경향을 나타내었다.  이것은 통과 기체에 대한 실험용 난연여과포의 저항특성을 나타내는 것으로, 여과속도 증가에 따른 여과포의 압력손실 변화에 영향을 미치는 인자에는 여과속도, 유체의 점도, 여과포의 물리적특성 및 기하학적 구조 등이 있다2).

실험결과를 보면 270℃에서 24시간 방치한 여과포의 압력손실이 상온에서 방치한 여과포에 비해 약간 낮지만 차이는 없었다. 이는 여과포의 분자구조가 안정성이 있고 충분히 배합된 형태로 고온에서 방치하여도 용융되지 않고 탄화되기 때문에 순간적으로 내열성과 인장력을 유지하여 압력손실에 변화가 없는 것으로 추정된다.

실험여과포의 먼지부하시 압력손실 및 집진효율, 여과성능지수는 결과정리중이며 3월말까지 완료할 예정이다.

감사의 글

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

참고문헌

1) 손재익 외: □중고온 고효율 여과포 상용화 개발□, 환경부, 환경기술연구개     발사업신청서.

2) 손재익 외: □산업용 고효율 여과포집진기술 □, 환경부, 한국에너지기술연구    소, 제1단계 3차년도 년차보고서 9-1-2,1997.