세라믹캔들필터를 이용한 고온고압집진

박석주, 임정환, 금상명, 배문상, 박영옥

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터

High Temperature - High Pressure Gas Filtration using Ceramic Candle Filters

Seok Joo Park, Jeong Hwan Lim, Sang Myung Keum,

Mun Sang Bae, Young Ok Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서론

최근 에너지와 환경문제가 대두됨에 따라 석탄의 액화 및 가스화에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 석탄의 가스화 연구 중에는 석탄가스화 복합발전 시스템(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)이나 가압유동층 복합발전 시스템(PFBC, Pressurized Fluidized-Bed Combustion)이 효율 높은 청정에너지를 생산할 수 있는 차세대 발전기술로서 제시되고 있다. 이중 가압유동층 복합발전 시스템은 연료와 탈황제 주입 시스템, 가압유동층 연소로, 배가스 집진시스템, 가스 터빈(gas turbine), 스팀 터빈(steam turbine), 연소회 처리 시스템, 폐열회수 시스템으로 구성되어 있다. 연료인 석탄은 슬러리 상태로 탈황제인 석회석이나 백운석과 함께 연소로로 주입되어 연소되고, 연소 배가스는 싸이크론에서 일차적으로 큰 먼지입자가 제거된 후, 고온고압 집진시스템에 유입되어 미세먼지입자가 포집 제거된다. 이 때 배가스의 온도는 약 750 ℃∼900 ℃, 공정압력은 약 6∼10 기압 정도의 범위로써 고온고압 조건을 유지한다. 청정 배가스로 전환된 고온고압 배가스는 가스터빈을 회전시켜 전기를 발생시킨다. 연소로 상부에서 연료 연소 시 발생된 열은 전열관을 통해 추출되며, 이 열로 증기를 스팀 터빈으로 유입 회전시켜 전기를 발생시킨다. 따라서 가압유동층 복합발전 시스템은 고온고압의 연소기체를 가스터빈에 사용하여 증기터빈과 함께 복합발전을 이루게 됨으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이러한 가압유동층 복합발전 시스템에 있어서 집진기술은 연소공정에서 발생된 고온고압의 가스 중에 포함된 분진을 제거하여 가스터빈을 보호하기 위한 필수적인 공정이다. 가스터빈으로 유입되는 배기가스 중에 먼지 입자가 함유되어 있으면 가스 터빈의 날개를 마모 및 부식시켜 가스 터빈 수명을 저하시키는 요인이 되므로 배가스 정제를 위한 집진시스템은 필수 공정으로 다루어지고 있다. 이와 같은 고온고압 조건에서 효과적으로 미세먼지입자를 제거할 수 있는 필터 소재와 고온고압 집진시스템의 개발은 현재 절실히 요구되고 있는 실정이다.

고온가스 내에 존재하는 미세먼지 입자들을 제거하기 위한 장치로는 싸이클론, 전기집진기, GBF(Granular Bed Filter), 다공성 세라믹필터 등이 있으나, 최근에는 고효율의 집진성능을 유지할 수 있는 다공성 세라믹필터를 이용한 집진 시스템을 세계적으로 개발하고 있는 추세이다. 현재 외국의 경우에도 가압유동층 복합발전 시스템의 실제 공정에서 사용되고 있는 배가스를 정제하는 방법으로는 일차적으로 싸이클론에서 큰 먼지입자를 제거한 후, 세라믹 필터를 이용한 이차집진을 하고 있다. 이때 사용되는 고온고압용 집진필터는 집진성능과 처리용량을 극대화할 수 있는 캔들형상의 세라믹필터, 즉 세라믹캔들필터(ceramic candle filter)의 개발에 많은 연구가 집중되고 있다.  따라서 본 연구에서는 가압유동층 연소발전 시스템에 적용이 가능한 고온고압 집진시스템의 개발 및 집진성능 실험에 대한 연구를 수행하였다.

실험 장치 및 방법

가압유동층 연소배가스 조건을 모사한 bench-scale 고온고압 배가스 정제용 집진 실험장치의 구성도는 Fig. 1과 같다. 상온의 고압공기를 간접방식으로 가열시켜 고온고압의 공기로 만들어주는 열풍발생장치, 개발된 시제품 필터의 여과성능을 실험하기 위한 집진용기, 고온의 기체 내에 먼지농도를 조절하기 위한 실험용 먼지공급 및 분산장치, 탈진을 위한 역세탈진장치(back pulse jet cleaning system), 고온으로 배출되는 기체의 냉각을 위한 Cooler, 자료획득 및 처리부분 등으로 구성 되어있다.

고온고압 집진필터를 설치하는 집진용기는 총 5개의 단으로 구성하여 문제점 및 파손이 발생할 경우 분해 및 대체가 용이하도록 설계 제작하였다. 또한 내부에 단열 내화재를 충진하여 중앙부분에 흐르는 고압공기의 온도가 원하는 고온상태를 유지하여도 vessel 외벽온도는 68 ℃이하로 유지되도록 설계하였다. 실험용 집진필터(외경 60 mm, 내경 40 mm, 길이 500 mm)는 4본을 서로 대칭 구조를 이루도록 배치하였으며, 별도의 탈진 노즐을 설치하였다. 설계상의 특이점으로는 먼지를 함유한 공기를 상부 중앙에서 유입되도록 한 것으로, 전산 시뮬레이션을 통한 집진용기 내부의 기체 유동분포와 분진 농도분포 특성을 수치 해석한 후, 집진 및 탈진효율을 향상시키도록 고안 설계하였다. 집진 및 탈진 시 먼지층의 형성 및 분리현상을 관찰하기 위하여 가시창을 설치하였다.

탈진장치는 2개의 저장조에 분리 저장된 압축공기를 이용하여 각 저장조에 2개의 필터의 탈진이 적용되도록 설계되었다. 탈진용 압축공기의 유입을 원활하게 하고 탈진공기의 분사속도를 증가시키기 위하여 사용하는 venturi block의 상부를 라운드로 설계하였다.

고압공기의 온도를 상온에서 500 ℃ 이상으로 증가시키기 위하여 Hot Gas Generator(HGG)를 제작 설치하였다. HGG는 공기 유입부에 2개의 예열용 전기히터, 본체부분에는 오일버너가 설치되어 있다. 본체는 외경이 1251 mm이고 표면을 150 mm의 단열 내화재로 처리하여 연소열의 손실을 최소화하였으며, 내부에 압축공기 line을 코일형태로 배치하여 열효율을 극대화하였다. 특히 연소배기가스 배출구를 버너의 중심과 일치시켜 설치함으로서 화염이 휘어지는 것을 방지하였다.  화염이 휘어지거나 넓게 퍼지면 코일형태의 압축공기 line에 화염이 접촉하여 국부과열로 인한 파손이 발생될 수 있다. Line heater는 HGG 후단에서 Vessel 입구까지의 Duct에 설치되었으며, 실험장치에서 발생하는 열손실을 보전하기 위하여 공기의 온도감소율을 100 ℃/m로 하여 설계하였다. Line heater는 설치 및 보수가 용이하도록 약 50 cm 정도 길이로 5조로 분리하였다. 또한 1개조는 2개의 히터를 길이방향으로 분리되도록 제작되었다.

본 실험에 사용된 실험용 먼지는 보령화력발전소의 석탄 미분탄 연소 후 전기집진기에서 포집된 평균입자크기(Mass Median Diameter, MMD) 17.2 □, 비중 2.22 g/□인 fly ash를 Jet Mill(ALPINE, Model 100AFG)로 분쇄하여 평균입자크기(MMD)가 8.7 □인 실험용 분진을 제조하였다. 실험용 먼지는 screw type 먼지 정량공급장치에서 정량화 되어 공급되며, 먼지의 공급량은 screw의 회전수로 조절되었다.

고온고압(500 ℃, 5 kgf/cm2 gauge) 조건에서 세라믹캔들필터의 성능 실험을 위해 유입 공기를 140 Nm3/hr(0.02 m3/s, actual)로, 집진용기 입구 먼지농도를 10 g/□으로 공급하면서, 세라믹캔들필터의 운전시간에 따른 압력손실 변화와 집진효율을 측정하였다. 이때 탈진에 사용되는 압축공기의 게이지 압력은 10 □f/□이며, 분사시간은 100 ms로서 세라믹캔들필터의 압력손실이 1500 mmH2O에 도달하였을 때 자동으로 탈진을 수행하였다. 집진효율은 출구에서 APS(TSI, Model 3310A)를 사용하여 측정한 먼지농도를 입자공급기로부터 공급되는 분진량과 측정된 입자크기 분포로부터 계산한 입구에서의 먼지농도의 비로부터 구하였다. 공급유량과 필터 양단의 압력손실은 실시간으로 모니터링할 수 있게 하였으며, 탈진에 의한 압력손실의 변화를 충분히 검출할 수 있도록 측정간격을 10초로 하였다.

Fig. 1.	Schematic diagram of high temperature -

high pressure filtration system.

실험 결과 및 고찰

운전시간의 경과에 따른 압력손실 변화를 살펴보면 Fig. 2와 같다. 초기 입자가 공급되기 직전의 세라믹 캔들 필터 양단에 걸리는 압력손실은 약 1100 mmH2O이다. 입자가 공급됨에 따라 필터 표면에의 분진층 형성으로 인하여 필터 양단의 압력손실은 증가하게 된다. 압력손실의 증가 기울기가 일정하지 않은 이유는 여러 인자들에서 기인한다. 운전시간에 따른 입자공급기로부터의 입자공급량 변화, 입구 유입관에의 입자 부착 및 부착된 입자의 유실, 그리고 집진용기 내벽이나 필터 목 부분 근처에 부착되어 있던 입자층의 중력에 의한 유실로 인한 재비산 등이 주요한 인자들로 작용한다고 발표되고 있다[1, 2]. 탈진에 의하여 필터 표면으로부터 제거된 입자층들의 붕괴와 호퍼로부터의 재 부유에 의한 재비산으로 인하여 일정시간동안 집진용기내의 입자농도가 높아지는 현상 또한 압력손실의 상승률에 영향을 미친다. 이러한 현상들은 Duo et al.(1997)과 Smith(1998) 등 여러 연구자들에 의하여 현재 많은 연구가 수행되고 있다[3-5]. 필터 양단의 압력손실이 설정된 Pulse 가동 압력 1500 mmH2O에 도달하면, 순간적인 Pulse Jet이 필터 출구에서 유동의 역방향으로 분사되어 필터에 부착된 분진층들이 제거되게 된다. 그러나 강력한 Pulse Jet으로도 완전 탈진이 이루어지지 않기 때문에 입자층이 전혀 부착되어 있지 않았을 때의 최초 압력손실 값까지 도달하지 못하게 된다. 잔류 입자층의 두께는 위치마다 약간의 차이는 있으나 대략 2∼3 mm 정도였다. 장시간 운전을 통한 실험 결과로부터 실험용 집진필터의 최종 잔류압력손실은 150 mmH2O로 평가되었다.

집진용기를 지난 후 출구에서의 입자농도 분포를 측정한 결과, 집진시간이 경과함에 따라 집진용기를 빠져나오는 입자의 농도는 점점 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 필터에 의한 집진으로 생성된 분진층이 또 다른 필터로써 작용하기 때문이다. 탈진에 의하여 분진층이 제거되면 필터 양단에 걸리는 압력손실이 다시 감소하게 되지만, 반대로 필터로써 작용하던 분진층이 제거됨에 따라 집진성능이 떨어져 집진장치의 출구에서의 입자농도분포가 순간적으로 증가하게 된다. 그러나 탈진이 끝나고 난 후, 다시 입자들의 필터로의 재유입에 의하여 집진이 이루어져 분진층이 형성되기 때문에 필터 양단에 걸리는 압력손실은 증가하게 된다. 그 결과 분진층에 의하여 입자의 집진이 이루어지기 때문에 집진장치 출구에서의 입자의 농도분포가 감소하게 된다. 그리고 탈진이 이루어진 직후 집진용기 출구에서의 입자농도가 순간적으로 아주 높아지는 현상을 관찰할 수 있었다. 이는 탈진 직후 필터로부터 이탈된 입자들로 인하여 집진용기내의 입자농도와 특히 필터표면 근처에서의 입자농도가 순간적으로 아주 높아져, 이들 고농도의 입자들이 필터로 재 유입되기 때문이다. 그러나 그 이후의 출구에서의 입자농도를 보면 다시 이전의 수준에 도달하는 것을 볼 수 있는데, 이는 탈진에 의하여 집진용기 내에 체류되었던 입자들이 내부의 복잡한 순환유동을 따라 흐르면서 입자농도가 희석되고, 순환유동 중 집진용기 내벽으로 부착되거나 중력에 의한 침강현상으로 일부의 입자들이 제거되기 때문이다.

Fig. 3은 개발된 세라믹캔들필터의 여러 압력손실에서의 입자크기별 집진효율을 보여준다. 집진효율은 대부분의 입자크기에 대하여 99 % 이상으로 나타났으며, 개발된 필터의 성능이 아주 우수한 것으로 판명되었다. 입자크기가 증가할수록 집진효율이 다소 감소하는 경향을 볼 수 있는데, 이는 집진장치로 공급되는 입자의 농도분포 중 큰 입자의 수농도가 작은 입자에 비하여 아주 작기 때문에 상대적 실험오차에 기인한 것으로 사료된다.

이상과 같이 본 연구를 통하여 개발된 세라믹캔들필터와 실험용 고온고압 집진장치의 연구를 기초로 하여, 계속적인 가압유동층 복합발전시스템에 적용 가능한 실제 크기의 고온고압 집진시스템 개발로의 확장 연구가 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

1.	Clift, R. and Seville, J. P. K. : □Gas Cleaning at High Temperature□, Blackie Academic & Professional, New York (1993).

2.	Thambimuthu, K. V. : □Gas Cleaning for Advanced Coal-Based Power Generation□, IEACR/53, IEA Coal Research, London (1993).

3.	Duo, W., Kirkby, N. F., Seville, J. P. K. and Clift, R. : Chemical Engng Sci., 52, 141 (1997).

4.	Duo, W., Kirkby, N. F., Seville, J. P. K. and Clift, R. : Chemical Engng Sci., 52, 153 (1997).

5.	Smith, D. H., Powell, V. and Ahmadi, G. : Powder Technol., 97, 139 (1998).

Fig. 3.	Particulate collection efficiency

at different pressure drop.

Fig. 2.	Variation of pressure drop

along experimental time.