성형압력에 따른 세라믹 캔들 필터의 기초 성능특성

김 종원, 임 정환, 손 재익, 박 영옥, 이 영우*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 충남대학교 화학공학과*

Basic Performance of Ceramic Candle Filter Elements

on the molding pressure

J. W. Kim, J. H. Lim, J. E. Son, Y. O. Park,  Y. W. Rhee*

Energy & Environment Research Dept., KIER,

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University*

서 론

차세대의 대표적인 석탄이용 발전시스템으로써 환경문제를 극복하기 위한 신기술인 석탄가스화 복합발전(IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle)과 가압유동층연소(PFBC : Pressurized Fluidized Bed Combustion)에서는 고온·고압의 배가스가 배출된다.

고온·고압에서 배출되는 배가스를 정제하여 에너지 절약차원으로써 열효율을 향상하고, 가스터빈의 보호와 환경규제치 만족을 위해 도입을 검정하고 있는 집진 시스템으로는 싸이크론, 전기집진기, 입자층여과기, 여러 가지 Barrier 필터 그리고 세라믹 필터 집진기가 있다.  사이클론은 내벽에 내화물을 도포하면 1000℃와 수백 기압까지 운전이 가능하나 집진 효율이 떨어져서 5□의 입자를 50%이상 포집하기가 쉽지 않고, 전기집진기는 먼지의 전기저항이나 연소조건의 변화에 민감하게 반응한다는 단점을 지니고 있고, 고온·고압에서 전극의 재질 선택과 시스템의 불안전함에서 오는 결점으로 인하여 그 집진 효율이 만족스럽지 못하다.  입자층여과기는 구조가 간단한 반면, 역시 불안정한 시스템 운전 및 층 입자에 묻은 먼지의 재비산 등의 문제로 만족스런 집진 성능이 보장되지 않는다.  이에 비해 세라믹 필터는 기계적 강도, 열 및 화학적 저항성, 그리고 열 및 기계적 충격 저항성을 유지하면서 적당한 크기의 기공을 발달시켜 고온·고압에서 요구되는 절대 효율을 추구할 수 있다.

세라믹 캔들 필터는 25년 전부터 독일의 Schumacher사가 SiC 소재로써 개발하여 왔으며, 각종 규모의 시험 단계를 거쳐서 현재 Buggenum의 250MWe급 IGCC에서 상용규모로 시험되고 있다.  그리고 미국의 Refractron사와 일본의 NGK사 등에서도 최근에 개발을 착수하여 큰 성과를 보이고 있다.

이와 같이 선진국의 경우에는 세라믹 캔들 필터 제조기술이 확립되어 상용화 단계에 있지만 국내의 경우에는 선진국에 비해 기초연구 단계에 머물러 있으며 상용화 단계에 도달하기 위해서는 아직도 많은 연구가 필요한 단계이다.

따라서 본 연구에서는 세라믹 캔들 필터를 개발하기 위해 여러 가지 성형압력에서 제조된 세라믹 캔들 필터를 이용하여 상온·상압 조건의 bench scale 실험장치에서 기초 성능특성을 규명하고자 한다.

세라믹 캔들 필터

세라믹 캔들 필터는 내부의 지지층과 표면의 여과층으로 이중 구조를 갖는다. 지지층은 직경이 큰 입자로 구성되어 필터의 구조를 유지하고 여과층은 수 마이크론의 미세입자나 아주 가는 fiber로 구성되어 먼지입자가 필터 내부로 침투되는 것을 막아 잔류압력 손실이 증가되는 것을 방지한다.

본 연구에 사용된 세라믹 캔들 필터의 내부층은 175∼250□ 탄화규소 granular의 소결층으로써 성형압력 200□/□, 300□/□, 그리고 400□/□으로 제조하여 필터강도와 구조를 유지하고 표면의 여과층은 100∼200□ 두께의 얇은 24□ 탄화규소 미립자 층으로 구성되었다.  필터의 크기는 내경/외경이 40/60mm고 길이가 30cm이다. 필터 한 개의 여과 면적은 0.057□이다.  <그림 1>은 탄화규소 미립자 층 코팅 전·후의 세라믹 캔들 필터를 나타낸 것이다.

(a) non-coating

(b) coating

<그림 1> 세라믹 캔들 필터 사진

실험장치 및 실험방법

<그림 2> 세라믹 캔들 필터 실험장치의 공정도

본 실험장치의 공정도는 <그림 2>에 나타내었다. 실험장치는 세라믹 캔들 필터 3개가 튜브시트에 설치되며, 먼지가 함유된 가스는 집진기의 하부로부터 유입되어 상부로 빠져나가게 설계되었다. 집진기는 먼지농도를 조절하기 위한 먼지공급부분 및 분산부분, 집진 및 탈진 특성을 규명하기 위한 장치 본체부분, 탈진용 압축공기 공급부분, 유량조절 부분, 압력손실 및 유량측정 부분과 먼지농도 측정부분 그리고 자료획득 및 집진기 조절을 위한 computer control 부분으로 구분된다.

실험용 먼지는 일본공업규격시험용 먼지 제10종인 fly ash의 평균입자크기인 4.8∼5.7□의 규정에 준하여 먼지종류별 채취된 4종의 먼지를 Jet mill(Alpine, 100-AFG Plant)에서 분쇄하여 모두가 일정한 입자크기분포를 갖는 실험용 먼지로 제조하였으며 충분히 건조하여 사용하였다.

먼지공급기는 screw형으로써 어느 정도의 압력에도 가동이 될 수 있도록 설계되었고 먼지농도는 screw 회전수를 조절하여 조절하였다.

입·출구의 먼지농도는 Aerodynamic Particle Sizer(TSI, 3310A)를 이용하여 측정하였다.

실험조건으로는 상온·상압에서 먼지농도를 5g/S□으로 고정시키고 여과속도를 5, 7, 9cm/sec로 변경하여 실험을 수행하였다.

결과 및 토론

성형압력 200□/□, 300□/□, 그리고 400□/□으로 제조한 세라믹 캔들 필터의 물리적 특성을 <표 1>에 나타내었다.  성형압력이 증가할수록 기공율과 기공크기는 감소하는 반면 밀도와 강도는 증가하였다.  <그림 3>은 실험용 먼지를 공급하지 않은 조건에서 세라믹 캔들 필터 자체의 압력손실을 여과속도의 변화에 따라 측정하여 나타내었다.  여과속도가 증가함에 따라 압력손실이 선형적으로 증가하는 경향을 나타내었고 압력손실 증가기울기는 성형압력 400□/□에서 가장 크게 증가하였다.  세라믹 캔들 필터에 대한 총괄 집진효율은 <그림 4>에서 보는 바와 같이 99.98% 이상을 나타내었다.

감사의 글

본 연구는 산업자원부가 지원하는 청정 에너지기술 개발 사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비의 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 최주홍 외 : □석탄가스화 복합발전용 고온고압 집진기술 개발(Ⅰ)□, 한국전력공사 기술연구원, pp. 1∼143. (1994).

2. 박경원 : □세라믹 캔들 필터 제진기의 고온 역세 운전 특성□, 경상대학교 석사학위논문, pp. 1-4, (1999).

3. 송장헌 : □세라믹 필터를 이용한 고온에서의 분진형성 특성에 관한 연구□, 호서대학교 석사학위논문, (1998).

4. John Stringer : "Grimethorpe High-Temperature/High-Pressure Gas Filter Experimental Program", EPRI, Volume 1:Design, Commissioning, and Modification of a Large Hot-Gas Filter on the Grimethorpe PFBC, (1992).

5. 정래익 : □세라믹 고온결합제를 이용한 탄화규소 여과매체 제조 및 여과특성 연구□, 한남대학교 석사학위논문, (1994).

6. 최주홍, 박영철, 서양곤, 서태원 : □석탄가스화 복합발전용 고온고압 집진기술 개발(Ⅲ), 한국전력공사기술연구원, pp. 17-50, (1997).

7. 최주홍, 박영철, 서양곤, 서태원, 정진도 : □IGCC용 고온고압 벤취급 세라믹 필터 집진기 운전(Ⅰ), 전력연구원, (1998).

<표 1> 세라믹 캔들 필터의 물리적 특성

특 성 필 터	밀도(g/cm3)	기공율(%)	기공크기(nm)	강도(MPa)
200kg/cm2	1.94	35.80	64	23.1
300kg/cm2	1.99	33.68	45	23.7
400kg/cm2	2.04	28.74	44	28.4

<그림 3> 여과속도에 따른 압력손실 특성

<그림 4> 총괄 집진 효율