비산먼지 포집용 pilot-scale 예비 하전 여과포

집진의 성능특성 연구

김 진철, 최 호경, 손 재익, 박 영옥, 정 진도*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

호서대학교*

A Study on Performance of Pilot-scale Precharging Fabric Filters

for the Collecting Fly-ash

J. C. kim, H. K. choi, J.E. son, Y. O. park, J. D. chung*

Energy & Environment Dept., KIER

Environment Engineering Hoseo Univ.*

서론

대기오염물질 중에서 먼지입자 배출량을 보면 발전부문에서 총 배출량의 39.5%로 가장 높은 비율을 차지하고 있고, 산업부문의 34.9%를 차지하는 등 많은 양이 배출되고 있다.1),2) 먼지입자는 대기중에서 확산특성이 매우 크므로 대기환경오염을 개선하기 위해서는 먼지입자에 대해 포집효율이 높게 유지될 수 있는 방지기술의 개발이 필요하다.1),2) 최근에는 높은 효율을 얻을 수 있는 여과포 집진기술이 많이 적용되고 있으나 전기집진기에 비해 압력손실이 높고 이로 인한 잦은 탈진으로 여과포의 마모, 파손 등이 종종 발생하여 결국에는 운전유지비의 상승요인으로 작용하는 문제점을 안고 있다. 본 연구에서는 여과포 집진기술의 고성능을 유지하고 운전비와 유지비의 절감을 꾀하고자 포집 먼지입자에 전계를 부여하는 예비하전기술을 여과포 집진기술에 복합 적용하여 미세먼지입자를 응집시켜 공극율이 큰 먼지층의 형성을 유도하여 여과포의 수명을 연장시키고 보다 높고 안정적인 효율을 유지시키고자 한다. 따라서 본 연구에서는 실험용 먼지예비하전장치를 제작하여 실험을 수행하였고 정전기력이 여과포 집진장치의 효율과 성능특성, 에너지소모율 등에 미치는 영향을 분석하였다.

실험장치 및 방법

KIER type 예비 하전장치의 성능실험은 각종 여과포의 성능을 측정할 수 있는 실험장치인 pilot-scale KIER type EB-DEDUSTER에서 수행하였다. KIER type 예비 하전장치의 성능실험에 사용된 실험장치의 공정도를 [Fig. 1]에 나타내었다. 실험장치는 여과포의 여과 성능 및 탈진특성을 규명하기 위한 여과포 집진장치 본체부분, 집진장치를 통과하는 기체의 유량조절 및 배출을 위한 처리기체 흡인부분, 처리기체 내의 먼지 농도를 조절하기 위한 시험용 먼지 공급 및 분산부분, 기체 내에 분산된 먼지를 전기적으로 하전시키기 위한 먼지 하전부분, 탈진을 위한 압축공기 공급 및 분사부분, 시료채취부분, 자료 측정 및 처리부분으로 구성된다. 처리기체 내에 함유된 먼지의 농도는 여과포 집진장치의 입구와 출구에 설치된 시료 채취구에서 분석기로 측정 및 분석한다. 먼지 분석기로는 Aerosizer를 사용하였으며 먼지농도가 높은 입구측에는 Diluter(TSI, Model 3302)를 Aerosizer와 함께 사용하여 1/100 비율로 입구농도를 희석시켜 측정하였다.

실험은 먼지 부하에 따른 여과포의 압력손실 및 집진 효율을 먼지를 하전시킨 경우와 하전시키지 않은 경우에 대해 측정하여 비교함으로써 먼지 하전장치의 효용성을 파악하는 것이다. 실험용 여과포로는 국산 저온용 박막 여과포(L-MEMFILTM)를 사용하였다.

[Fig. 1] Pilot-scale Test unit

실험용 먼지는 fly ash

(MMD=17.2□,□=2.2g/□)를 사용하였고, 먼지 정량 공급장치에 의해 5g/S□으로 일정하게 여과포 집진장치 내로 유입시키며, 여과속도는 1m/min으로 유지하였다. 이때의 처리 유량은 19.6□/min이다. 입구농도는 먼지하전장치 내에서의 먼지 침강 가능성을 고려해 먼지하전장치 출구부분에서 측정하였다.

예비 하전장치의 성능특성

Duct내에 설치가 가능하도록 고안된 두 가지 type의 하전장치에 최대 -30kV까지 단계별로 전압을 부여하여 방전량과 하전량을 electrometer를 이용하여 측정하였다. 상온에서 여과속도를 1m/min으로 같은 조건으로 적용하였을 때 방전량은 Helical screw형과 Multi-disk형, 모두 비슷한 양상으로 약 -27kV에서 최대 방전량 8~9mA정도를 나타내었다. 그러나 하전량은  Helical screw형이 Multi-disk형에 비해 약 1□10-12A에서 최대 2□10-12A까지 차이가 나는 것을 볼 수 있었다.

잔류압력손실의 변화

모든 실험변수를 같게 적용하여 유입되는 처리기체에 예비 하전을 시키지 않은 경우와 두 가지 tpye의 예비 하전을 한 경우에 실험장치 내에서 발생하는 압력손실 증가율의 대비를 [Fig. 2]에 나타내었다. 실험초기에는 약 2시간경과시까지는 압력손실이 약40~50mm

[Fig. 2] 압력손실의 변화

H2O로서 비슷한 경향을 보이고 있다. 그러나 시간이 경과함에 따라 예비 하전을 시킨 경우, 그렇지 않은 경우에 비교해 매우 완만한 증가추세를 볼 수 있다. 더욱이 Helical screw형은 Multi-disk형에 비해서도 매우 완만한 증가추세를 보여 예비 하전을 하지 않은 경우와 비교해 약 3배에 가깝게 잔류압력손실증가율이 낮아짐을 볼 수 있었다.

총 에너지 소모 변화

같은 조건을 적용한  세 가지 경우의 실험에서 각각의 경우의 Energy consump

tion을 비교해 보았다.

[Fig. 3]를 보면 예비 하전을 한 경우에 그렇지 못한 경우에 비해서 시간 대비로 실험경과시간 약 9시간 전후까지 비교해 볼 때 하전으로 인한 전력소모량을 감안하고서도 예비 하전을 하지 않은 경우에 비해서 매우 낮은 에너지 소모량을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 압력손실 증가율이 급격한 상승 추세를 보이는 비하전 실험의 경우 잦은 탈진과 일정유량을 흡입하기 위한 I.D. fan의 동력소모율이 높아지기 때문인 것으로 생각된다.

[Fig. 3] Energy Consumption

집진효율의 변화

세 가지 실험에 대한 입자크기별 집진효율의 변화를 [Fig. 4]에서 보면 보통 0.5□이상의 입자포집에서는 공기역학경이 관여하는 기구가 중심이고 0.5□이하에 대해서는 물리경이 관여하는 기구가 중심이다. 작은 입자의 경우에는 관성충돌과 차단은 무시할 수 있고 더욱이 0.2□이하의 입자에서는 확산이 유일한 지배기구이다.3),4)

[Fig. 4] 입자크기별 집진효율

따라서 0.4~0.8□정도의 미세입자들은 실제로 매우 낮은 집진효율을 보이고 있다. 그러나 정전기력을 이용한 예비 하전 장치를 적용한 경우 포집기구의 효율이 가장 떨어지는 0.4~0.8□정도의 미세입자의 포집효율이 비하전실험의 경우에 비교하여 볼 때 10%정도 향상된 것을 볼 수 있었다. 이는 전기적으로 대전된 입자들이 필터표면에서 극성을 유지하면서 통기성과 공극율이 높은 다공성 수지상의 구조를 형성함으로써 미세입자의 포집효율을 향상시킨 것으로 생각된다.

결론

여과집진장치의 효율증대와 근본적인 문제점을 해결하고자 한 본 연구에서는 위와 같은 실험결과에서 다음과 같은 결론은 얻었다. 예비 하전장치와 일반 여과집진기술의 접목으로 여과포집진장치의 근본적인 문제점인 압력손실의 저감과 에너지소모를 감소시킬 수 있을 것으로 기대되며 처리기체에 정전기력을 부여함으로써 포집효율이 가장 떨어지는  0.4~0.8□정도의 미세입자의 포집효율을 향상시킬 수 있었다. 마지막으로 일반 여과포 집진장치의 duct 내에 설치가 용이함으로 상용화가 용이할 것으로 기대된다.

참고문헌

1)최덕일 외, □배출시설별 대기오염물질 배출계수 산정에 관한 조사 연구(Ⅰ)□, 국립환경연구원, NIER No.87-02-197, 213p. (1987)

2)최덕일 외, □배출시설별 대기오염물질 배출계수 산정에 관한 조사 연구(Ⅱ)□, 국립환경연구원, 198p. (1988)

3)Davies, C. N. (ED), Air Filtration, Academic Press, London, (1973)

4)Hinds, "Aerosol Technology" 224p. (1982)