접선유입방식 여과집진기의 먼지부하 저감을 위한

내통형상 최적화 연구

최호경, 박석주, 임정환, 김상도, 박현설, 박영옥

A Study on the Inner Tube Design Optimization of Tangential Inlet Type Baghouse for Reduction of Dust Loading

H. K. Choi, S. J. Park, J. H. Lim, S. D. Kim, H. S. Park, Y. O. Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서  론

여과집진장치는 산업체에서 배출되는 입자상 오염물질을 포집 제거하는 장치의 하나로서 기후조건이나 작업공정에 관계없이 성능이 안정적이며 높은 집진효율 유지가 가능하여 미국이나 유럽 등지에서는 여과집진장치의 사용을 적극 장려하고 있다. 또한 최근에는 필터 제조기술의 발전으로 단일 여과집진장치로 먼지입자 외에 가스상 유해물질도 동시에 처리할 수 있어 여과집진장치의 수요는 더욱 증가할 전망이다.

그러나, 여과집진장치는 필터 자체 및 필터 표면에 부착된 먼지층에 의한 압력손실로 인한 운전 동력비 상승과 필터 교체 등으로 인한 유지 및 보수비 등의 경제적 부담이 커지는 단점이 있다.(1,2)

본 연구에서는 필터로 유입되는 먼지의 부하량을 줄이고 효율적인 집진조작을 위해 여과집진장치 내부에 내통(inner tube)을 설치한 형태의 접선유입방식 여과집진장치를 개발하고자 하였으며, 이를 위해 실험용 여과집진장치를 제작한 후 다양한 형상의 내통에 대한 집진성능 실험을 수행하고, 결과를 분석하여 최적 내통 형상을 제안하였다.

실험장치

[그림 1]에 본 연구에서 개발된 접선유입방식 여과집진장치의 개략을 나타내었다. 원심력에 의한 먼지부하 예비저감 효과를 얻기 위해 먼지는 집진장치 중간에 설치된 유입구를 통해 장치의 접선방향으로 유입된다.

장치의 외벽 및 내통은 먼지 입자와의 마찰 및 마모에 의한 침식에 견딜 수 있도록 스테인레스 재질을 사용하여 제작하였다.

여과집진장치에는 156□×700L 규격의 필터 4본이 장착된다. 이 경우의 총 여과면적은 1.37□이다.

필터에 부착된 먼지층의 제거작업인 탈진은 고압 공기의 순간적인 분사 충격에 의해 먼지를 떨어내는 충격기류 탈진(pulse jet cleaning)방식을 사용한다.

원심력 및 탈진조작에 의해 침강되어 집진장치 하부에 모아진 먼지입자들은 집진장치 내부 바닥의 스크래퍼(scraper)에 의해 먼지 저장조로 분리 처리된다.

전체적인 실험장치는 크게 접선유입방식 집진장치 본체, 실험용 먼지공급 및 분산부, 처리기체 흡인부, 탈진용 압축공기 공급부, 그리고 각종 데이터 측정 및 처리부로 구성된다. 실험용 필터로는 표면에 아크릴 재질의 다공질 박막이 코팅된 저온용 박막필터(L-MEMFILTM)를 사용하였다.

[그림 1]  접선유입방식 여과집진장치

실험용 먼지로는 화력발전소의 미분탄 연소 보일러에서 발생되는 비산재(flyash)를 사용하였다. 먼지의 주성분은 SiO2 및 Al2O3이며, 비중은 2.22, 질량기준 중위 지름(mass median diameter)은 7.25□이다.

집진장치 입구와 출구에서의 먼지 농도 및 입도 측정에는 APS(Model 3320, TSI Inc.)를 사용하였다.

실험방법

실험은 여과속도 및 유입 먼지농도를 고정시킨 상태에서 내통의 형상을 변화시켜 가면서 이에 따른 집진장치의 압력손실 및 집진효율 등의 집진 성능을 평가하는 것이다.

실험의 변수는 내통 형상으로서 [그림 2]에 나타낸 바와 같이 총 6개의 각기 다른 형상의 내통을 사용하며, 내통이 없는 경우를 포함하여 총 7개의 변수에 대해 실험을 수행하였다. 이중에서 점선으로 표시된 type-5는 내통에 다수의 원형 구멍이 뚫려 있는 다공판을 사용한 것이며, 이때의 개구비는 50%이다. 본 실험의 상세한 조건을 <표 1>에 나타내었다.

[그림 2]  실험에 사용된 각종 내통의 형상

Type-0					Type-1							Type-2							Type-3							Type-4							Type-5							Type-6

<표 1>  실험조건

Test dust	flyash
Filtration velocity	2.0m/min
Inlet dust concentration	7 g/□
Temperature	ambient
Test filter	L-MEMFILTM
Cleaning onset (Pressure drop of filter)	100□H2O
Cleaning air pressure	4□f/□
Cleaning duration	50msec

결  과

1) 압력손실

[그림 3]에 내통형상 변화에 따른 집진장치의 탈진 직후 잔류압력손실 변화경향을 나타내었다. 그림에서 type-5의 경우가 잔류압력손실이 가장 낮게 나타나는 반면, type-4의 경우는 내통을 설치하지 않은 type-0에 비해서 오히려 잔류압력손실이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. Type-1의 경우는 내통 자체에 의한 압력손실로 인해 초기 압력손실 및 탈진 후 잔류압력손실이 비교적 높게 나타나지만 운전시간이 경과함에 따라 그 증가율이 다른 형상의 내통을 설치한 경우에 비해 완만하며 탈진간격도 보다 길게 유지되는 것으로 나타났다. 이것은 type-1의 경우 다른 내통을 설치한 경우에 비해 탈진이 보다 효율적으로 이루어지기 때문인 것으로 판단된다.

[그림 3]  잔류압력손실의 변화

[그림 4]  먼지부하의 변화

[그림 4]에 압력손실 증가율 결과로부터 산출한 필터의 먼지부하율을 나타내었다. 여기서, 먼지부하율은 내통을 설치하지 않은 경우를 기준으로 하였을 때의 필터로 유입되는 먼지 부하량의 비로서 탈진에 의한 먼지의 재유입량을 고려하지 않은 값이다. 그림에서 type-3과 4는 내통을 설치하지 않은 경우와 거의 같은 값을 나타내므로 먼지부하의 예비저감에 거의 효과가 없음을 알 수 있다. 반면, type-1, 2, 5, 6의 경우는 먼지부하의 예비저감에 상당한 효과가 있는 것으로 나타났다.

잔류압력손실의 변화량과 먼지부하율의 결과를 고려해 볼 때, 먼지부하량 측면에서는 type-2의 경우가 가장 우수한 것으로 나타나지만 탈진조작이 수반되는 경우 먼지의 재유입 현상을 고려해야 하므로 type-1 또는 type-5의 경우가 보다 효율적일 수 있다. 특히 장치의 규모가 커서 내통 자체의 의한 압력손실이 상대적으로 작아지는 경우에는 type-1 형식의 내통이 가장 우수한 성능을 나타낼 수 있을 것으로 예상된다.

2) 집진효율

[그림 5]에 탈진 직전과 직후에 측정한 내통 형상별 부분집진효율 변화를 나타내었다. 부분집진효율은 각 입경별로 산출한 유입 먼지량에 대한 포집 먼지량의 비로 정의되며, 본 연구에서는 실험시작 후 5시간 전후의 질량 기준 부분집진효율을 산출하였다.

[그림 5]  탈진 전후의 부분집진효율 비교

그림에서 필터 자체의 성능이 우수하여 내통 형상별로 큰 차이는 나타나지 않지만, 탈진 직전의 경우는 필터뿐만 아니라 필터 표면에 형성된 먼지층에 의해서도 먼지 포집이 이루어지므로 먼지입자의 크기와 상관없이 고르게 높은 효율이 나타남을 확인할 수 있다. 그러나 탈진 직후에 측정한 결과를 보면 탈진에 의해 필터 표면의 먼지층이 제거되고, 필터 내부로 침투하여 잔류하던 먼지입자들이 고압 공기의 분사에 의한 탈진 충격에 의해 필터를 통과하여 장치 밖으로 배출되면서 집진효율이 급격히 떨어진다. 이러한 먼지의 필터 통과현상은 먼지의 포집 기작이 상대적으로 취약한 직경 1□ 부근의 미세 먼지 입자의 경우에서 두드러지게 나타남을 알 수 있다.

필터의 부분집진효율을 각 내통 형상별로 비교해 보면 먼지의 부하량이 상대적으로 많은 type-0의 경우가 탈진 직후 가장 많은 먼지를 배출하는 반면, 먼지부하가 비교적 낮은 type-1, 2, 5 및 6의 경우는 상대적으로 높은 포집효율을 나타낸다. 특히 type-1의 경우는 먼지의 직접적인 확산에 의한 필터 유입이 내통에 의해 차단되므로 미세먼지에 대한 포집효율이 가장 높게 나타난다.

Type-2 형태의 내통의 경우 먼지 부하량은 가장 낮지만 탈진 후의 먼지 재유입 현상으로 인해 탈진 직후의 먼지 포집효율이 type-1에 비해 낮게 나타나는 것으로 판단된다.

Type-5 및 6의 경우 다른 형상의 내통을 설치한 경우에 비해 먼지부하량이 상대적으로 적기 때문에 큰 먼지입자의 포집효율은 높게 나타나지만 확산에 의한 미세먼지의 필터 유입 억제효과가 크지 않아 1□ 미만의 먼지입자에 대한 포집효율은 type-1에 비해 낮게 나타난다.

결  론

본 연구에서는 필터로 유입되는 먼지 부하량을 줄이기 위해 고안된 접선유입방식 여과집진장치에서 최적의 내통 형상을 설계하기 위해 내통 형상별 집진실험 및 비교 분석을 수행하였다.

접선유입방식 여과집진장치에 내통을 설치한 경우 먼지입자의 직접적인 필터 유입이 차단되어 필터로의 먼지 부하량이 줄어들며, 이에 따라 필터의 압력손실 및 집진 특성이 향상된다.

내통은 집진장치 외벽과 평행한 형태의 것이 우수한 성능을 나타낸다. 특히, 필터의 전 영역을 둘러싼 형태(type-1)의 내통을 설치한 경우는 필터로 유입되는 먼지부하량 저감과 탈진 먼지의 제거 측면에 효과가 크며, 먼지의 포집효율도 높게 나타났다.

참고문헌

1. Ogawa A., 1984, "Separation of Particles from Air and Gases", CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida.

2. McIlvaine R. W., 1995, "Fabric Filter Market Rises, Replacing Precipitators," Environment Solutions, pp. 21, November.