집진용 난연여과포의 국산화 개발

길 인섭, 이 영우, 박 영옥*

충남대학교 화학공학과

한국에너지기술연구소*

Development of Domestic Flame Retardant Filter for Particulate Matter Control

I. S. Kil, Y. W. Rhee, Y. O. Park*

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University

Korea Institute of Energy Research*

서 론

여과포집진기술은 다른 집진 기술에 비해 높은 분진포집성능의 유지가 가능하여 최근에는 연소 및 소각설비 등의 분진발생공정의 배가스처리용으로 널리 사용되고 있다.  또한 배가스중에 함유되어 있는 이산화황과 염산 등을 먼지와 함께 동시에 제거할 수 있는 복합형 포집기술의 개발로 폐기물 소각시설에의 적용이 두드러지고 있다.

그러나, 국내 산업체의 폐기물소각로와 비철금속 정련공정용 여과포집진장치에서는 먼지와 함께 불꽃을 함유한 먼지입자의 유입으로 인해 여과포에서 화재가 발생하여 생산공정의 중단과 전체공정의 화재발생을 위협하는 사례가 자주 발생되고 있다.  또한 중유연소보일러 사용의 증가로 먼지 발생량이 증가하고 있으며 이에 대한 대응책으로 고효율 여과포집진장치의 사용을 의무화하고 있지만 발생되는 먼지입자에 중유성분이 다량 함유되어 있어 여과포 표면에서의 화재발생 요인이 되고 있다.  따라서 여과포집진장치에서 화재 발생을 방지하여 생산공정을 안정적으로 운전하고 집진 장치의 성능을 향상시키고, 화재로 인한 손실 및 다른 공정의 위험을 없애기 위해 환경공학기술개발사업의 일환으로 난연여과포를 국산화 개발하였다.

본 연구에서는 개발된 난연여과포의 성능 향상을 위한 기초 자료를 획득하기 위해 개발한 난연여과포의 난연성능 특성을 확인하고, 적용 대상 공정의 발생 먼지를 실험용먼지로 활용하여 운전 조건의 변화에 따른 난연여과포의 여과성능 특성을 규명하였다.

실험방법

본 연구에서는 섬유의 난연성을 측정하는 장치와 여과포의 성능을 시험하는 기초 실험 장치가 사용되었다.

난연성 측정장치의 공정도를 Fig.1에 나타냈다. 설계기준은 ASTM D 2863이나 KS M-3032 또는 JIS K 7201등 국제공업규격에 맟추어 설계되었다. 시험방법은 L.O.I.(Limiting Oxygen Index ; 한계산소지수법)Test로 실험하였다. 장치는 Fig.1과 같이 연소부, 가스공급부, 측정부, 점화기 및 연소기체 배출부 및 몸체로 구성된다.

Fig.1.Schematic flow diagram of flame retarding test unit.

시험편을 U자형 고정 장치를 사용해서 2장의 고정테 사이에 시험편을 끼워  고정한 후, 시험편의 상단부가 연소 원통의 상단 부로부터 100mm이상의 거리에 위치하도록 수직으로 시험편 지지장치에 설치한다. 점화기의 선단을 위로 향하게 했을 때의 불꽃의 길이를 15-20mm로 조절한다. 연소실내의 총유량은 11.4□/min, 유속은 4□/s, 기체 유량조절기 정도는 0.1□/min으로 한다. 산소 및 질소 유량 조절밸브를 열고 연소원통내에 약30초 동안 가스를 방출한 후 시험편의 상단에 점화한다. 이 경우 시험편의 상단부 전체가 불이 붙어 불꽃 모양으로 연소하는 것을 확인한 후 점화기의 불꽃을 제거하고 즉시 연소시간 측정을 개시한다. 위 조작을 반복하고 시험편의 연소시간이 3분 이상 계속해서 연소하는데 필요한 최저의 산소 유량과 그 때의 질소 유량을 결정한다. 시험 횟수는 3회로하고 다음 식에 의해 산소 지수를 소수점 이하 1자리까지 계산한다.

[eqn: 산소지수&=&{[O sub 2 ]} over {[O sub 2 ]+[N sub 2 ]}]

[O2] : 5)에서 얻은 산소의 유량 (□/min)

[N2] : 6)에서 얻은 질소의 유량 (□/min)

일반적으로 위에서 구한 L.O.I.값이 30이상이면 난연성이 있다고 볼 수 있다.

여과포 성능실험장치의 공정도를 Fig.2에 나타냈다. 장치는 3단으로 상단은 실험먼지 확산부분, 중앙단은 여과포 성능 실험부분, 하단은 여과포를 통과한 유량측정부분으로 구성되어있다. 이 장치의 상단에는 유입되는 공기와 먼지가 균일하게 분산되도록 하기 위해 다공판(perforated plate)을 설치하였다. 여과포 성능 실험부분의 상단과 하단의 중앙에는 시료채취구를 설치하여 장치로 유입되는 입구먼지와 여과포를 통과한 출구먼지의 농도와 입자크기분포를 API Aerosizer(Mach Ⅱ & LD)로 측정하였다. 먼지층과 실험용 여과포를 통과할 때 걸리는 저항인 압력손실은 analog pressure와 digital pressure indicator에서 판독하며, 실험용 여과포를 통과한 유량은 장치의 외부에 설치된 경사마노메터로 동압을 측정한다.

Fig.2.Schematic flow diagram of bench scale filter performance test

system.

실험용 먼지는 폐합성섬유 소각회를 실험용으로 사용이 적합하도록 Jet Mill(Alpine 100AFG)로 분쇄후 완전 건조하여 먼지 분산장치의 호퍼에 충만시키고 실험조건에 적합한 먼지량을 조절하여 청정압축공기로 먼지를 분산시켜 실험장치의 상부로 유입시켰다. 입구 분진농도 Ci(g/m3)는 1, 3, 5g/m3의 각 조건마다 여과속도 V(m/min)를 3, 4, 5m/min로 변화시키며 시험 분진의 공급유량을 Si(g/min) = CiVA의 관계식으로 결정했다. 여기서, A(m2)는 실험용 여과포의 먼지 포집면적이다. 한 조건의 실험이 끝나면 먼지가 부하된 여과포를 꺼내어 분석용 천칭에서 무게를 측정하고 청정상태에서 여과포 무게와의 차로 먼지포집량을 계산하였다.

결과 및 고찰

개발된 난연여과포의 한계산소지수 측정 결과를 Table 1.에 나타냈다. 한계산소지수값은 3회( 3분 01초, 2분 58초, 3분 01초)의 평균 연소시간이 3분이 되는 56.1%로 결정하였다.

Table 1. L.O.I. test result of flame retardant filter.

한계산소지수 (%)	N2 (l/min)	O2 (l/min)	1회	2회	3회	평균
55.3	5.10	6.30	2분 45초	-	-	-
55.7	5.05	6.35	2분 52초	-	-	-
56.1	5.00	6.40	3분 01초	2분 58초	3분 01초	3분 00초
56.6	4.95	6.45	3분 10초	3분 12초	3분 09초	3분 10초

일반적으로 한계산소지수값이 30%이상이면 난연성이 있다고 규정하고 있어 본 연구에서 개발된 난연여과포는 난연 성능이 우수함을 확인하였다.

실험용 난연여과포에 의한 먼지 포집 실험을 수행하기 전에 먼저 실험여과포의 자체의 압력손실인 청정여과포의 압력손실을 여과속도의 변화에 따라 측정하여 그 결과를 Fig. 3.에 정리하였다. 그림에서 알 수 있듯이 여과속도가 증가함에 따라 실험용 여과포의 압력손실도 증가하는 경향을 나타내었다.  이것은 통과 기체에 대한 실험용 난연여과포의 저항특성을 나타내는 것으로, 여과속도 증가에 따른 여과포의 압력손실 변화에 영향을 미치는 인자에는 여과속도, 유체의 점도, 여과포의 물리적특성 및 기하학적 구조 등이 있다.

실험여과포의 먼지부하시 압력손실 및 집진효율, 여과성능지수는 결과정리중이며 9월말까지 완료할 예정이다.

감사의 글

본 연구는 환경부가 지원하는 선도기술사업(G-7프로젝트)의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

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최덕일 외: □배출시설별 대기오염물질 배출계수 산정에 관한 조사연구(Ⅰ)□국립환경연구원, NIER # 87-02-197,1987

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이충중 외: □정전부직포 Filter기술 개발연구,□ 2차년도 중간보고서, 1983

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ASTM D2863-91: 'Standard Test Method for Measuring the Minimum Oxygen   Concentration to Support Candle-like Combution of Plastics'  (Oxygen       Index)

JIS K7201-1976: □Testing Method for Flammability of Polymeric Materials  Using the Oxygen Index Method□

KS M3032 □산소 지수법에 의한 고분자재료의 연소시험방법□