Gas turbine 유입공기 정화용 Cartridge air filter의 성능특성.

길 인섭, 박 영옥, 김 동진, 임 정환, 김 상도, 최 호경, 손 재익

한국에너지기술연구소

Characterization of Gas turbine in-take cartridge air filter.

I. S. Kil, Y. O. Park, D. J. Kim, J. H. Lim, S. D. Kim, H. K. Choi, J. E. Son

Energy & Environment Research Dept., KIER

서 론

대기중에 함유된 먼지입자를 분리하는 가장 기본적이고 고효율로 분리하는 기술이 air filter에 의한 방법이다.  특히, 1, 2차 세계대전 중에 미국에서 군의 사용 목적으로 개발된 이후 급진적인 발전을 해 왔으며 최근에 와서는 0.1□인 미세입자를 99% 이상 포집할 수 있는 초고효율 filter 및 가스상 유해물질까지도 포집 제거할 수 있는 air filter가 개발되고 있다1,2).

미세한 먼지입자를 고효율로 분리하는 air filter의 개발에서 가장 중요한 인자는 먼지입자 포집효율과 압력손실 그리고 수명이라고 할 수 있다.  먼지입자는 미세할수록 브라운 운동이 활발해 져서 확산 및 차단효과가 지배적이어서 입자의 filter 통과율은 낮아지고 큰 입자는 관성 및 충돌효과가 커서 입자의 통과율이 낮으나, 이들의 중간입자크기(0.05 - 0.5□)인 경우 어느 입자포집기구도 지배적인 인자가 되지 못해서 통과율이 높아지는 특성이 있다3,4).   Air filter의 압력손실은 송풍기의 용량 결정 및 에너지 절약 측면에서 매우 중요한 인자이다.   특히 정교한 장치에 유입되는 공기 중에는 미세한 입자도 거의 포함되어 있지 않아야 기기에 먼지입자의 침착 및 마모 등에 의한 문제점 발생 방지가 가능하다.

본 연구에서는 gas turbine에 유입되는 공기에 함유된 먼지입자의 포집용으로 개발된 cartridge air filer의 성능을 실험을 통해 분석 평가하고자 한다.   또한 현재 수입하여 사용하고 있는 수입 cartridge air filter에 대해서도 국산 cartridge air filter와 성능을 비교하여 국산 air filter의 성능 향상에 대한 관련 자료와 실험 자료를 활용하여 국산 air filter의 성능을 향상시키기 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.

실험용 필터

본 연구에 사용된 Cartridge air filter는 국내 개발제품과 수입제품의 2가지를 사용하였고 섬유의 직물 구조 및 단일섬유의 형상을 전자현미경으로 309배로 확대하여 <그림 1>에 나타냈다.  그림을 보면 단일섬유의 형상은 직사각형이며 직조의 구조는 단일섬유들이 서로 엉킨상태로 3차원 구조 형상을 나타냄을 알 수 있다.  [표 1]에는 실험필터의 물리적 특성을 수입제품과 비교하여 나타냈다.  Table에서 보면 수입품의 인장강도에 비해 국내 개발품은 약 2배정도 인장강도가 강하였고 초기 압력손실은 17.33m3/min에서 국내제품이 수입품에 비해 높은 것으로 나타났다.

a) 국내제품                      b) 수입품

<그림 1> 실험용 필터의 전자혐미결 SEM사진.(Magnification ×309)

[표 1] 실험필터의 물리적 특성.

구 분 항 목	수입품	KIER
□흡 수 율(%) □중 량(g/m2) □두 께(mm) □인장강도(Kg/Cm2) (길이/폭 방향) □파열강도(Kg/Cm2) □골 깊이(mm) □공기투과도(cc/Cm2/s) □빳빳하기(길이/폭 방향) □초기압력손실 (mmH2O at 17.33m3/min) □처리기체유량 (m3/min at 25.4mmH2O) □효 율 □세공지름(□) □여과면적(m2)	89.1 123.8 0.402 12.9/10.7 1.8 0.484 10.8 - 14 24.49 99.6 - 19.4238	- 127.2 0.66 23.6/15.2 - - 21.0 - 22.0 18.92 99.6 21.99 17.82

실험 방법

실험장치는 본 연구소에서 개발한 Gas turbine in-take air filter test unit로  <그림 2>에 실험장치의 공정도를 나타내었다. 실험장치는 실험용 먼지공급 및 분사부분, filter test부분, 청정기체 흡인부분, 압력손실, 유량측정 및 시료채취부분, 자료획득 및 처리부분으로 구성되어있다.

실험용 먼지는 AC fine road dust로 MMD가 1.44□이다. 먼지형상이 매우 불규칙하고 일반적인 대기내 먼지의 형상과 비슷하여 본 실험용 필터의 성능 실험에 적합하다고 판단하였다.

실험용 먼지는 정량으로 공급하기 위해 먼저 고온건조기에서 110℃정도로 유지한 조건에서 12hr 정도 건조시킨 후 상온건조기에서 24hr 건조하여 실험실 온도와 같은 조건으로 냉각하여 사용하였다.

장치는 실험용 필터를 3본까지 장착할 수 있고 하단에서 공급된 먼지는 대기중 공기와 함께 유입되어 필터를 통과하고 상단의 배출구를 통하여 대기중으로 배출된다. 초기 유량은 52.0m3/min으로 초기압력손실은 25.4mmH2O를 유지하여야 하며 탈진은 약 3inchmmH2O에서 시작하여 2inchmmH2O에서 멈추었다. 이때의 탈진압력은 7Kg/Cm2으로 조정하였다.  입구농도는 분석장비를 이용하여 약 80mg/m3으로 조정하였고 필터 성능 실험부분의 하단의 중앙에는 시료채취구를 설치하여 필터를 통과한 출구먼지의 농도와 입자크기분포를 API Aerosizer(Mach Ⅱ & LD)로 측정하였다. 먼지층과 실험용 필터를 통과할 때 걸리는 저항인 압력손실은 analog pressure와 digital pressure indicator에서 판독하며, 실험용 필터를 통과한 유량은 장치의 외부에 설치된 digital flow indicator로 측정하였다.

<그림 2> 실험장치의 공정도

결과 및 고찰

실험용 필터에 의한 먼지 포집 실험을 수행하기 전에 먼저 실험용 필터 자체의 압력손실인 청정필터의 압력손실을 수입제품과 국내제품을 비교하여 나<그림 3>에 나타내었다. 그림에서 보면 두 필터 모두 여과속도가 증가함에 따라 실험용 필터의 압력손실도 증가하는 경향을 나타내었다.  이것은 통과 기체에 대한 실험용 필터의 저항특성을 나타내는 것으로, 여과속도 증가에 따른 필터의 압력손실 변화에 영향을미치는 인자에는 여과속도, 유체의 점도, 필터의 물리적특성 및  기하학적 구조 등이 있다. 여과속도의 증가 속도에 따른 압력손실의 증가기울기는 수입 필터에 비해 국내 개발품이 더 컸으며, 동일 여과속도에서의 압력손실도 약간 높게 나타났다. 초기압력손실의 경우도 공기의 유량이 17.347m3/min이 통과할 때  수입 필터는 14.0mmH2O였고 국내 필터는 22.0mmH2O 로 측정되었다.  그러나

<그림 3> 청정 필터의 압력손실

gas turbine용 air filter system에 적용되는 청정 air filter의 압력손실은 17.347m3/min의 유량이 통과할 25.4mmH2O로 규정하고 있기 때문에 압력손실 자체는 기준치에 적합하다고 본다.

실험필터의 먼지부하시 압력손실 및 집진효율, 먼지형성과정등은 결과정리중이며 9월말까지 완료할 예정이다.

감사의 글

본 연구는 과기부가 지원하는 무상양허사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1) 김정호 외: □저압손 Air Filter 제조 기술 개발□, 최종보고서, 상공자원       부, 145p. (1933).

2) C, Dickensen, "Filters and Filtration handbook", 3rd edition, Elsevier    Advanced Techology, Oxford, UK, 778p, (1992).

3) 박영옥 외: □Pulse jet식 필터집진장치의 필터 성능시험 연구(Ⅱ)□, 과       학기술처, 201p, (1990).

4) M. J. Matteson and C. Orr, "FILTRATION, Principle and Practicies",       Marcell Dekker, Inc., New York and Basel. 736p.(1987).