주물공장 발생 분진의 물리화학적 특성 및 여과집진실험

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

차동열, 박현설*, 박영옥*, 배우근

한양대학교 토목환경공학과

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터*

Filtration Characteristics of Physical and Chemical Properties of Foundry Dust

D. Y. Cha, H. S. Park*, Y. O. Park*, W. K. Bae

Department of Civil & Environmental Engineering, Hanyang University,

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research Center*

서론

최근들어 입자상물질을 포함한 대기오염물질과 산업폐기물 증가로 인해 산업환경이 악화되어 이러한 환경문제에 대한 개선요구가 국내외적으로 급증함에 따라 환경설비산업이 21세기의 유망산업으로 부상되고 있다. 국내외적으로 급변하고 있는 환경친화적 산업화 시대에 적응하기 위하여 주물산업에서도 환경문제에 관한 사고 전환과 이에 관련된 기술개발이 활발하게 수행되어야 할 시기이다[1]. 주물업체는 도금, 염색업체와 더불어 대표적인 공해유발업체이며 분진, 일산화탄소 등의 대기오염물질과 폐주물사로 표현되는 폐기물이 다량 발생되고 있다. 주물공장의 주요 대기오염원으로서는 용해로나 용해작업이 주로 취급되어 왔으나 코아제조, 주물사 취급, 연마, 버핑등의 공정에서도 다량의 대기오염물질이 배출되고 있다. 주물공장의 대기오염배출시설은 금속제품제조 가공시설중 금속의 용융재료 또는 열처리시설이다. 주물공장에서 가장 문제가 되는 것은 분진이고 그 외에 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 산화물을 들 수 있다. 대부분의 주물공정에서 분진이 발생하며 큐우폴라, 전기로, 모래처리, 후처리 작업에 있어서 발생하는 분진은 작업장의 노동조건을 나쁘게 하고 외부에 대해서는 공해문제가 된다[2]. 발생 분진의 크기나 양은 발생장소, 작업조건에 따라서 다르며 큐우폴라에서는 비교적 큰 분진이, 전기로에서는 상대적으로 크기가 작은 훈연이, 모래처리 후처리 작업에서는 모래 분진이 문제가 된다[3]. 이를 처리하기 위해서는 분진의 종류, 크기에 따라서 집진장치를 선택해야 한다. 본 연구에서는 주물공장내 부유분진의 크기분포, 주물공장 분진의 물리화학적 특성 및 여과집진 특성에 대한 실험적 연구를 통하여 주물공장 환경개선을 위한 기술개발 연구에 활용하고자 한다

주물공장 분진 특성

주물공장 탈사시설, 자동조형라인, 후처리장 부근의 부유분진에 대한 농도분포를 APS로 측정하여 각 공정별 발생되는 부유분진의 분포를 측정하였다. Fig. 1은 주물공장 작업 공정중 Shake-out 장치 주변 부유 분진의 크기별 농도를 측정한 자료이다. 이 측정값을 살펴보면 Shake-out 공정에서 1~10□ 크기의 분진이 많이 발생하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 2는 주물공장에서 발생되어 집진기에서 여과된 분진을 채취하여 105oC에서 24hr동안 충분히 건조시킨 후 Aeroizer로 측정하여 Aerodynamic diameter에 따른 크기분포를 나타낸 결과이다. 또한 주물공장 내 집진기에서 여과된 분진의 형상 및 성분을 SEM과 EDS로 분석한 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 각각 나타내었다. Fig. 3에서 보듯이 평균 입경은 7~10□정도이며 분진의 화학적 조성은 Fig. 4와 같이 Si 63.8%, O 10.2%, Al 8.5%, C 8%, Fe 7.3%, K 2.2%로 나타났다. 분석 결과로 미루어 본 연구에서 사용한 주물공장 분진의 주성분은 SiO2임을 알 수 있었다.

Fig. 1 Number concentration of suspended dust particles

around the shake-out machine.

Fig. 2 Size distribution of foundry dust particles.

Fig. 3 SEM image of the foundry dust.   Fig. 4 Chemical composition of the foundry

dust particles.

여과집진실험

주물공장 분진종류별 여과집진 실험을 다양한 집진원리를 접목한 여과집진장치를 사용하여 실험하였다. 우선 산업체에서 사용하는 일반적인 여과집진장치을 이용하였으며 두번째 장치는 분진이 유입되는 입구 부근에 코로나 방전 영역을 설치하여 지나가는 분진 입자가 (-)극으로 하전되도록 하여 하전된 입자들이 여과포 표면에 포집될 때 입자간의 정전기력이 작용하고 이때 형성된 먼지층의 겉보기 밀도가 낮아짐으로써 압력손실이 감소되고 1□이하의 미세 입자 포집효율을 크게 높여주는 먼지하전 여과집진기를 사용하였다. 세 번째 집진장치로는 먼지가 집진기 하부의 Cyclone에서 포집되고 이차적으로 상부의 여과포 집진장치에 의해 포집되는 조합형으로 구성되어 있는 CYBAGFILTERTM로 실험하여 결과를 비교하였다. Fig. 5는 에너지기술연구원에 설치되어있는 CYBAGFILTERTM 의 개략도를 나타낸 것이다. 우선 먼지공급기로 주입되는 먼지들은 혼합기를 통하여 장치내로 유입되고 장치내에서는 1차적으로 큰입자들이 하부의 cyclone에 포집되며 미세먼지들은 상부의 여과포에서 포집되어 필터에 대한 먼지부하를 줄임으로써 필터의 수명을 연장하고 집진성능을 향상할 수 있다.

Fig. 5 Flow diagram of CYBAGFILTERTM, a hydrid dust collector combining a     cyclone and a baghouse

일반적인 여과집진장치, 먼지하전 여과집진기, CYBAGFILTERTM를 이용하여 주물공장내의 작업설비인 자동조형기, shot blast machine에서 발생한 분진의 여과특성을 경과시간에 따른 압력손실 특성과 탈진에 따른 잔류압력 및 탈진간격을 측정하였다. 실험은 동일한 조건을 만들어주기 위해서 상온에서 실시하였으며 유입되는 먼지의 양과 여과속도, 탈진 압력을 동일하게 하였다. 각 실험은 연속적으로 약 20여시간 정도 수행되었다. 집진기별 압력손실 변화특성을 Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8에 각각 나타내었다. Fig. 6은 일반여과집진기에 대한 성능을 나타낸 것이고, Fig. 7은 먼지하전 여과집진기, Fig. 8은 CYBAGFIL-

TERTM의 성능을 각각 보여주고 있다.

실험결과에서 보듯이 CYBAGFILTERTM을 사용하였을 때 압력손실의 증가율이 가장 낮게 나타났으며, 탈진간격 또한 일반여과집진기와 먼지하전 여과집진기에 비해 5배정도 크게 나타났다. 따라서 주물공장의 주물사 처리 및 탈사공정에서 발생되는 분진의 경우 원심여과집진 원리를 이용한 집진기가 가장 적합한 것으로 확인되었다.

결론

본 연구에서는 주물공장 발생분진의 물리화학적 특성을 분석한 후,  Pilot scale 실험을 통해 주물공장 발생 분진의 특성에 적합한 집진기술에 대해 살펴보았다. 실험 결과, 주물공장의 주물사 분진에 대해서는 원심력을 이용한 집진과  여과집진 원리를 접목한 원심여과집진기가 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다. 향후 원심여과집진기에 대해 최적의 운전조건을 도출하기 위한 실험이 추가로 진행되어야 할 것이다.

Fig. 6 Pressure drop characteristics of the conventional baghouse

Fig. 7 Pressure drop characteristics of the electrostatically enhanced baghouse

Fig. 8 Pressure drop characteristics of the CYBAGFILTERTM

참고문헌

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. EPA Office of Compliance Sector Notebook Project: Profile of the Metal Casting

Industy, EPA/310-R-97-004

2. (사)일본주물공업회, □주조공장 상업폐기물조사 위원회 보고서□ (1992)

3. 피영규, 노영만 등, □주물사업장 주공정별 발생하는 분진의 석영함유량 및 크기분포연     구□ (1997)