내점·내유성 여과포의 성능규명 연구

길 인섭, 이 영우, 박 영옥*,손재익*

충남대학교 화학공학과

한국에너지기술연구소*

A study on characterization of Oil and Viscosity-resistant Fabric Filter

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

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University

Korea Institute of Energy Research*

서 론

산업체에서 배출원별 발생되는 먼지는 형상, 입자크기분포, 겉보기 밀도, 유동도, 비표면적, 안식각, 부착 및 응집성 등의 물리적 특성과 온도, 습도, 조성성분 등의 화학적 특성이 서로 다르다. 이는 먼지 포집시 여과포 기공(pore)에서의 가교 형성(pore bridging)특성과 여과포 표면에 부착되는 먼지층(dust cake)형성에 영향을 주어 먼지 종류별 여과특성의 차이를 갖게한다.

그런데 국내 산업체에서는 주요 연료가 중유를 사용하며 이로 인해 중유 연소시 발생되는 먼지 배출량이 급격히 증가되고 있다.  그러므로 중유 연소로 인해 배출되는 먼지를 최대한 포집 제거하기 위해서 기존에 사용되고 있는 cyclone이나 multiclone대신에 고효율 집진장치의 설치가 필수적이다.  고효율 집진기술로서는 여과포집진장치와 전기집진장치가 있다.   전기집진장치는 배출가스중에 부유하는 먼지입자에 코로나(corona) 방전으로 하전하고 여기에 전계를 형성시켜 정전기력으로 포집제거하는 기술로서 각 산업공정에서 배출되는 먼지입자의 포집 제거에 널리 사용되고 있다.  그러나 연료의 성상과 먼지의 전기 저항율 및 연소 조건의 변화에 따라 집진 성능의 변동이 심하며, 특히 배출허용기준의 강화 및 유황분 함유량이 높은 중유의 사용에서 유황분 함유량이 낮은 중유의 사용으로 전환되는 과정에서 전기 저항율이 높은 먼지의 경우 역전리(back corona) 현상이라고 하는 이상 현상이 발생하여 집진 성능을 크게 저하하였다.  이와 같은 전기집진장치의 문제에 비하여 여과포집진장치는 먼지의 전기적 특성에 의존하지 않고 안정되며 높은 집진효율은 얻을 수 있다.  1973년 미국의 Pensylvania Power & Light사의 Sunbury발전소의 175MW의 미분탄연소보일러에 여과포집진장치가 처음으로 설치되어 운전 결과 뛰어난 집진성능과 높은 신뢰성으로 종래의 전기집진장치에 충분히 대체할 수 있는 가능성이 인정되었다.  그러나 중유 연소 보일러에 여과포집진장치를 적용하여 높은 집진효율을 유지하면서 안정적으로 운전하기 위해서는 중유 연소 배출가스와 연소회의 특성에 적합한 여과포가 적용되어야 한다.

본 연구에서는 점성에 강하고 유분의 영향을 줄이기위해 개발된 여과포의 성능평가를 위해 대상 공정의 발생 먼지로 운전 조건의 변화에 따른 여과포의 기초성능특성을 규명하고자 한다.

실험방법

본 연구에서 사용된 실험용여과포는 먼지포집효율이 우수하고 탈진조작시 항장력이 강한 특성을 갖기위해 여과포의 공극크기가 여과포 전체면에서 일정한 분포를 갖도록 3차원구조를 갖도록 제조된 needle  부직포이다.   실험용 여과포의 섬유재질은 polyimide로 섬유직경이 8.0□∼9.0□인 극히 가는 섬유로 제조하였으며, 표면은 발수특성과 발유특성이 우수한 재료인 불소계 Fluon으로 deeping 처리하였다. 실험용 여과포의 통기도는 13cc/cm2/sec, 중량은 568g/m2, 두께는 2.4mm, 공극율은 54.2%이고 평균흐름세공지름(mean flow pore diameter)는 23.5□이다. 실험용 여과포의 표면은 원형 단일섬유에 비해 표면적 넓은  별모양(star-shape)의 가는 단일섬유로 구성되어 있다.   또한 먼지입자들이 여과포 표면에서 포집되어 먼지층이 형성을 유도하기 위해 단일섬유가 서로 얽혀 있고, 단일섬유간의 틈새에 다른 단일섬유가 입체적 구조로 얽혀있다.

본 연구에서는 여과포의 성능을 시험하는 기초 실험 장치가 사용되었다.

여과포 성능실험장치의 공정도를 Fig. 1에 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.1. 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

실험용 여과포에의한 먼지포집실험을 수행하기 전에 먼저 실험여과포의 자체의 압력손실인 청정여과포의 압력손실을 여과속도의 변화에 따라 측정하여 그 결과를 Fig. 2.에 정리하였다. 그림에서 알 수 있듯이 여과속도가 증가함에 따라 실험용 여과포의 압력손실도 증가하는 경향을 나타내었다.  이것은 통과 기체에 대한 실험용 여과포의 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 여과포표면 먼지층 형성 특성집진효율, 여과성능지수는 결과 정리중이며 3월말까지 완료할 예정이다.

감사의 글

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

참고문헌

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