소결금속섬유필터의 기초 성능 규명

김상도, 서정민, 박석주, 임정환, 박현설, 최호경, 박영옥, 손재익

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

Basic Performance Characterization of Sintered Metal Fiber Filter

S.D. Kim, J.M. Seo, S.J. Park, J.H. Lim, H.S. Park, H.K. Choi, Y.O. Park, J.E. Son

Energy & Environment Research Department, KIER

서  론

산업이 발전함에 따라 산업활동에 수반되어 발생되는 대기오염물질의 배출량이 증가하였으며 종류도 다양해지고 있다. 특히, 산업의 발전과 더불어 대기중으로 배출되는 먼지의 배출량이 증가하여 대기중에 부유하는 입자상물질은 더욱더 증가할 것으로 예상되어 심각한 대기오염문제로 대두되고 있다1-2).  대기오염물질을 저감시키기 위하여 여과의 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 그 재질로는 개발 초기에는 면 또는 양모 등의 천연섬유를 소재로 한 여과재가 주로 사용되었으나 인조섬유의 발명으로 새로운 합성섬유를 바탕으로 한 여과재의 개발이 많이 이루어졌다.  이와 같은 필터는 제조공정이 간단하고 원가가 저렴한 장점이 있으나 폐기과정에서 산업쓰레기 공해로서 문제가 발생되고 있다. 이에 따라 종래의 일반 합성섬유 여과재에 비해 내산성, 내알카리성, 내열성이 우수할 뿐만 아니라 역세(back wash)에 의하여 재사용이 가능한 금속섬유필터가 점차 각광을 받고 있다.

금속섬유필터는 재료의 형태 및 제조방법에 따라 소결분말금속필터(sintered powder metal filter), 금속선메시필터(metal wire mesh filter), 소결금속섬유필터(sintered metal fiber filter) 등으로 구분할 수 있는데, 금속섬유의 직경은 5-30□의 아주 가는 세선으로 되어 있다. 금속섬유필터의 재료로는 스테인레스강이 일반적으로 사용되고 있으며, 그 외에도 니켈, 티타늄 등이 사용되고 있다. 제조된 금속섬유필터는 재료에 따라 기공도가 최소 30%에서 90% 까지 광범위하게 조절되는데, 예로 소결분말금속필터의 경우에는 기공도가 30-40%, 금속선메시필터의 경우 기공도가 50-60%, 소결금속섬유필터의 경우에는 기공도가 80-90% 이다. 기공도가 클수록 필터의 저항이 낮아 압력손실이 낮으므로 소결금속섬유필터가 많이 사용되고 있다.

그러나, 지금까지의 일반적인 합성섬유의 필터의 기초적인 성능특성에 대해서는 많은 연구결과가 이루어졌고 보고되었지만3-5), 금속섬유필터에 대해서는 그러한 연구결과가 미비한 편이다. Li(a997)는 금속섬유필터의 wire mesh type과 소결부직포에 대한 기공도, 통기도, 기공크기분포, 필터효율, dirt holding capacity 등을 비교 분석하였다6).

따라서, 본 연구에서는 소결금속섬유필터에 대한 기초 여과성능 실험장치를 가지고 여과속도와 입구먼지농도 조건 변화에 따른 먼지통과율 및 부분집진효율의 특성을 알아보았고, 또한 여과속도와 먼지부하량의 변화에 따른 압력손실 및 먼지통과율에 미치는 상관관계를 구하여 보았다.

이론

1). 압력손실

압력손실은 함진기체가 필터를 통과할 때 발생되는 저항을 의미하는데, 필터의 총 압력손실은 식(1)처럼 청정필터 자체의 압력손실([eqn: DeltaP_f`])과 필터에 포집된 먼지층에 의한 압력손실([eqn: DeltaP_d`])의 합으로 나타낼 수 있다.

[eqn: Delta P_t ~=~ Delta P_f `+ `Delta P_d``]	(1)

청정필터의 압력손실은 먼지층의 압력손실에 비해 상당히 낮기 때문에 문제가 되지 않지만 필터를 구성하는 섬유와 섬유의 조직이 조밀할 경우에는 압력손실이 높게 나타난다.  필터를 통과하는 기체는 낮은 유속으로 필터의 pore를 통과하게 되므로 압력손실은 통과하는 기체의 유속 혹은 유량에 비례하여 증가한다.

2). 먼지입자통과기구

직포와 부직포에 의한 먼지포집에서 초기단계를 제외하고는 대부분 먼지층에 의한 포집이 지배적이라고 볼 수 있다. 먼지입자 포집기구는 체거름(sieving) 작용이며 포집효율 저하는 주로 포집된 먼지의 재비산에 의한 영향이라고 Leith와 First21)는 보고하였다. 그리고 먼지입자의 통과에 기여하는 인자는 3종류이며, 직통, 압출과 불어나감이라고 제시하였다.

Leith와 First7)는 먼지입자가 필터와 먼지층을 통과하는 현상에 기여하는 인자를 알아보기 위해 polyester needle felt를 가지고 fly ash를 사용하여 여과속도가 3m/min, 9m/min에서 실험을 수행하였다.

실험결과에 의하면 3m/min인 조건에서는 포집 초기단계에는 직통에 의한 먼지통과 기여율이 대부분이며, 압출이나 불어나감에 의한 먼지통과는 거의 기여하지 않았다. 그러나 여과시간이 경과하면서 먼지층이 두꺼워짐에 따라 직통에 의한 먼지통과 기여율은 감소하였고, 압출에 의한 먼지통과 기여율은 계속 증가하였으며, 불어나감에 의한 먼지통과 기여율은 증가하다가 어느 정도의 먼지층 두께 이상에서는 일정하게 유지된다고 하였다. 즉, 여과속도가 느린 조건에서는 입자가 필터와 먼지층을 통과하는 현상은 거의 직통에 의해 기여된다고 추정할 수 있다.

여과속도가 빠른 조건인 9m/min에서는 먼지층의 두께가 증가함에 따라 직통에 의한 먼지통과 기여율은 현저하게 감소하였으나, 불어나감에 의한 먼지통과 기여율은 먼지포집 초기단계에는 급격히 증가하다가 먼지층 두께가 어느 정도(약 30□)이상 두꺼워지면 일정하게 유지되었다. 그러나 압출에 의한 먼지통과 기여율은 포집 초기단계와 먼지층이 두껍게 형성되는 후에도 거의 변화없이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.

이와 같은 실험결과를 토대로 여과속도가 느린 조건에서는 먼지입자들이 필터와 먼지층을 통과하는 기구는 대부분이 직통에 의해 이루어지고, 여과속도가 빠른 조건에서는 불어나감에 의해서 이루어진다고 추정할 수 있다.

실험장치 및 방법

실험용 필터는 B사에서 제조한 5CL4, 7CL4 두 종류의 필터를 사용하였다.  Table

표. 1 필터의 물리적 특성.

Physical characteristics	5CL4	7CL4
Mean air permeability (□/d□/min at 200Pa) Thickness (mm) Weight (g/□) porosity (%)	27 0.40 900 72	45 0.40 900 72

1에 필터의 물리적인 성질을 나타내었다.

본 연구에서 사용된 먼지는 AC Fine Dust로써 MMD는 9.046□ 이다.

본 연구를 위해 사용된 실험장치는 그림 1과 같은 형태의 기초성능실험장치가 사용되었다. 이 실험장치를 이용하여 필터의 초기 집진효율, 초기압력손실, 먼지부하조건에서의 압력손실, 먼지통과율을 측정하였다.

그림 1. 필터 기초성능실험장치 개략도.

실험장치는 고정밀도의 먼지 공급기에서 발생된 먼지는 분산기를 거쳐 입자중화기를 통과하게 된다. 입자중화기는 마찰대전 등으로 얻는 먼지입자의 전하량을 제거하여 이로 인한 먼지입자의 손실을 줄이고, 보다 안정된 조건에서 실험이 가능하도록 한다. 중화기를 통과한 먼지입자는 확산부를 거쳐 실험용 필터에서 대부분 포집된다. 필터의 집진효율을 구하기 위해 입, 출구 먼지농도를 Aerodynamic Particle Sizer(TSI) 등을 이용해 측정하고, 필터 전 후의 압력손실은 차압센서를 사용해서 측정하였다.

실험용 필터의 여과면적은 0.09m2,  여과속도는 1-5m/min, 먼지부하량은 1-500g/m2을 기준하였고, 입구먼지농도는 1.0g/Sm3을 적용하였다.

결과 및 고찰

먼지를 투입하지 않고 여과속도에 따른 압력손실을 그림 2에 나타내었다. 여과속도가 증가함에 따라 압력손실이 증가하였고 5CL4, 7CL4 모두 선형적인 증가를 보였는데, 5CL4의 압력손실이 7CL4의 압력손실 비해 높은 것으로 나타났다. 이는 표 1의 물성 특성에서도 알 수 있듯이 동일 조건에서 5CL4의 통기도가 7CL4 비해 작은 편이다. 이는 통과되는 기체의 양이 적음을 의미하며 더 큰 저항이 발생될 것임을 예측할 수 있다.

그림 3은 5CL4의 경우 여과속도의 변화와 먼지부하량의 증가에 따른 압력손실의 변화를 나타낸 것이다.

여과속도가 작은 경우에는 먼지부하량이 증가하여도 압력손실의 증가 기울기가 크게 변화가 없었지만, 여과속도가 증가할수록 압력손실의 증가기울기도 크게 변하였다.

Ikemori와 Kosakai는 needle felt 여과포의 성능시험 결과를 토대로 총괄 압력손실에 대한 실험식을 다음과 같이 제시하였다8).

[eqn: ( {DeltaP_t`} over DeltaP_f` `-` 1) ~=~ {DELTAP_d`} over DELTAP_f``]	(2)

식(2) 좌변항은 먼지의 퇴적에 의한 부가압력손실로 먼지부하량과 여과속도에 비례하게 되며, 이에 대한 일반식을 식(3)처럼 지수함수로 나타내었다.

[eqn: { DELTA P_t} over { DELTA P_f }~=~exp(`C`V`W``^k `)]	(3)

이와 같은 결과를 토대로 본 연구에서는 소결금속섬유필터에 대한 먼지포집에 있어 필터에 먼지층이 형성되었을 경우 총압력손실을 여과속도 및 먼지부하량과의 관계를 지수함수로 구하여 보았고, 5CL4 및 7CL4의 각각의 상관관계식을  식(4)와 식(5)로 나타내었다.

[eqn: DELTAP_t over DELTAP_f ~=~exp(0.554`V`W~^0.286 `)]	(4)

[eqn: DELTAP_t over DELTAP_f ~=~exp(0.636`V`W~^0.045 `)]	(5)

그림 2. 청정필터의 압력손실.

그림 3. 먼지부하량에 따른 압력손실 영향.

결  론

소결금속섬유필터에 대한 기초 성능실험을 토대로 여과속도 및 먼지부하량 변화에 따른 압력손실, 먼지통과율, 부분집진효율 특성을 알아보았고, 여과속도와 먼지부하량의 변화에 따른 압력손실 및 먼지통과율에 미치는 상관관계식을 유도하여 보았다.

감사의 글

본 연구는 환경공학선도기술개발(G7) 사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 김영성, 경남호, 선도원, 조성호, □에너지소비에 따른 대기환경영향 평가기법 개발(Ⅲ)□, 한국에너지기술연구소 연구보고서, KE-92059G, pp. 110 (1992).

2. 강석호, □분전저감기술□, 21세기 에너지 관련 기술 워크셥 발표자료, pp.47-57 (1990).

3. Park Y.O., Koo C.O., Lim C.H., Ghim Y.S. and Son J.E., J.KAPRA 10, 183(1994).

4. Kil I.S., Rhee Y.W. and Park Y.O., J. Korea Solid Wastes Engineering Society 14, 861(1997).

5. Park Y.O., Koo C.O., Lim J.H., Kim H.R., Son J.E. and Rhee Y.O., Energy Engineering J. 7, 57 (1998).

6. Tao Li, Filtration & Separation, April 265(1997).

7. Leith, D. and First, M., □Particle Collection by a Pulse-Jet Fabric Filter", 68th

Annual APCA Meeting, Boston, 1-14 (1975)

8. Ikemori, J. and Kosakai, Y., "Collection Efficiency, Flow Resistance and Their Correlation in a Needle-Punched Felt Used for Bag Filter", 空氣淸淨, 16(3), 1-19 (1978).