확대노즐의 기초 탈진 특성

임정환, 김종원, 김 동진, 최호경, 김상도, 박영옥

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

A study on characteristics of CD type nozzle for pulse jet cleaning of fabric  filtration.

Jeong Hwan Lim, Jong Wen Kim, Dong Jin Kim, Ho Kyung Choi,

Sang Do Kim, Young Ok Park

Energy & Environment Research Dept., KIER,

1. 서 론

충격기류 탈진방식 여과포 집진장치는 여과포의 내부로 고압의 압축공기를 순간적으로 분사하여 여과포 외부 표면에 부착된 먼지를 여과포와 분리시켜 하부로 배출시키는 방식으로, 탈진효율이 우수할 뿐만 아니라, 집진과 탈진조작을 동시에 수행할 수 있어 여과포 집진장치의 소요 면적과 부대설비가 작고,  기계적인 구동부분이 적기 때문에 고장에 대한 부담도 작아 산업체에 널리 사용되고 있다.1,2,3

그러나 기존 충격기류식 탈진장치는 압축공기의 진행방향이 시간에 따라 변화하여 탈진에너지가 여과포에 불균일하게 전달되는 현상에 의하여 여과포의 부분적인 변형과 파손이 발생하고 있는 실정이다.  또한 탈진성능을 향상시키고 여과포의 파손을 방지하기 위하여 설치하는 벤츄리 때문에 집진장치의 압력손실을 증가시킬 뿐 아니라 설치 투자비를 증가시키는 요인으로 나타났다.4,5

따라서 본 연구에서는 기존의 노즐을 개선하여 벤츄리를 설치하지 않아도 탈진 성능이 우수한 노즐을 개발하기 위한 기초실험을 수행하였다.  노즐의 개발을 위하여 전산 수치 해석을 통하여 설계자료를 도출하였으며,  이를 바탕으로 노즐을 가공 설치하여 여과포 내부의 압력분포를 측정하였다.  또한 이미 실험한바 있는 Hole, Tube type 노즐의 탈진특성과 비교하였다.

그림 1. 탈진특성 실험장치 흐름도

2. 실험장치 및 방법

탈진특성 실험장치는 여과포 내부에 길이 방향으로 압력sensor를 설치하였으며, 측정 자료의 수집과 분석 및 실험조건의 제어는 컴퓨터에서 수행하도록 하였다.   실험장치의 흐름도를 그림 1에 나타내었다.   여과포 내부의 압력분포를 측정하기 위한 압력sensor는 여과포에 등 간격으로 6개 지점과,  상부에 1개를 추가로 설치하였다.  분배관은 1"를 사용하였으며,  분사 노즐은 Tube type 노즐의  내부를 가공한 확대노즐(CD type nozzle)로, 직경은 6, 8, 10, 12, 15mm를 사용하였다.  실험조건은 탈진공기 분사압력 5.0, 6.0, 7.0□/□,  분사시간(pulse duration time) 30, 50, 100ms로 설정하였다.

먼지공급 및 유체가 흐르지 않는 완전 무부하 상태의 운전조건에서 탈진공기의 분사압력 및 분사시간 등 탈진조건에 따른 여과포 내부의 peak pressure의 변화를 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

확대노즐의 지름 변화에 따른 여과포 내부의 최대압력 분포를 그림2에 나타내었다. 실험 조건은 분사압력 7.0Kg/cm2, 분사시간 100ms이다.   또한 실선은 벤츄리를 설치한 조건이며, 점선은 벤츄리를 설치하지 않은 조건이다. 이전에 실험하였던 Tube, Hole type nozzle에서 10mm에서 최대값이 나타난 반면에 노즐의 지름이 증가할수록 최대압력도 증가하였다. 여과포 상부(38cm지점)의 최대압력은 약 20 - 40mmH2O정도의 다소 좁은 범위에서 측정되었으나,  여과포 중앙부분(128cm지점)에서는 약 25 - 120mmH2O정도로 노즐지름에 따라 상당히 넓은 범위에서 측정되었다.  또한 여과포 하단부분(290cm지점)에서는 약 50-140mmH2O정도로 여과포 중앙부분 보다 높은 값을 나타내었다.  노즐지름이 6mm인 경우 여과포 상부에서 하부쪽으로 계속 증가하는 것은 상부 128cm 지점에서 발생하는 팽창에 의한 압력증가는 나타나지 않고 여과포 하부쪽에서 발생하는 build-up 현상에 의한 압력 증가만이 측정되었기 때문이다.  이것은 노즐의 지름에 의하여 압축공기의 팽창정도가 달라지며,  일정량 이상의 유량이 통과되어야만 탈진효과가 나타난다는 것을 알 수 있다.  모든 실험조건에서 벤츄리가 설치되지 않은 조건에서의 최대 압력 분포가 높게 측정되어 벤츄리를 설치하지 않아도 높은 탈진성능을 나타낼 수 있음을 확인하였다.

확대노즐의 분사시간 변화에 따른 여과포 내부의 최대압력 분포를 그림 3에 나타내었다. 실험 조건은 분사압력 7.0Kg/cm2, 노즐지름은 15mm이다.   또한 실선은 벤츄리를 설치한 조건이며, 점선은 벤츄리를 설치하지 않은 조건이다.  여과포 중앙(128cm 지점)에서의 최대압력의 크기는 분사시간과 무관하게 거의 일정한 값을 나타내어 이 부분에서 나타나는 분사공기의 팽창에 의한 압력증가는 분사압력에만 의존하는 것을 확인하였다.  여과포 하부에서 발생되는 build-up 현상에 의한 압력증가는 분사시간에 의한 영향이 지배적인 것으로 나타났다.

확대노즐의 분사압력 변화에 따른 여과포 내부의 최대압력 분포를 그림 4에 나타내었다. 실험 조건은 노즐지름 15mm, 분사시간 10ms이다.   또한 실선은 벤츄리를 설치한 조건이며, 점선은 벤츄리를 설치하지 않은 조건이다.  분사압력이 증가할 수록 압축공기 팽창과 build-up 현상에 의한 압력 모두 증가하였다. 여과포 중앙부(128cm지점)에서 나타나는 압축공기의 팽창에 의한 압력은 분사압력에 의하여 차이가 거의 없었으나, 여과포 하단부분에서는 분사압력에 따라 많은 차이를 나타내고 있다.

그림 5에는 실험을 완료한 바 있는 Hole, Tube type nozzle의 여과포내 최대압력 분포와 비교하여 나타내었다. 실험 조건은 분사압력 7.0Kg/cm2, 분사시간 100ms, 노즐지름은 15mm이다.  여과포 상부(38cm지점)의 최대압력은 약 40mmH2O정도로 노즐의 형상에 관계없이 비슷하게 나타났으나, 여과포 중앙부분(128cm지점)에서는 Hole type nozzle의 경우 약 40-50mmH2O, Tube type nozzle의 경우 약 50mmH2O정도이었으나, 확대노즐(CD-type nozzle)은 80 - 110mmH2O정도로 다른 노즐에 비하여 상당히 높은 값을 나타내었다.  또한 여과포 하단부분(290cm지점)에서도 약 125 - 140mmH2O정도로 Tube type nozzle보다 약 40mmH2O 정도 높게 나타났다.  이러한 현상은 Tube ype nozzle은 분사공기에 직진성 만을 부여하는 반면에 확대노즐(CD-type nozzle)은 압축공기의 팽창정도까지 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.  또한 노즐형상에 관계없이 벤츄리를 설치하지 않은 조건에서의 최대압력 분포가 설치한 조건보다 높게 측정되는 것은 분사공기가 벤츄리에 충돌하여 에너지의 감소가 발생하는 것으로 사료된다.

그림 2. 노즐지름에 따른 압력분포     그림 3. 분사시간에 따른 압력분포

그림 4. 분사압력에 따른 압력분포     그림 5. 노즐형상에 따른 압력분포

4. 결론

충격기류식 여과포 집진장치에 설치되는 탈진 부품의 하나인 벤츄리를 설치하지 않아도 탈진 성능을 향상시킬 수 있는 확대노즐(CD-type nozzle)을 개발하였으며, 확대노즐의 기초 탈진성능을 평가하기 위하여 여과포 내부의 압력분포를 측정하였다.  또한 기존에 수행한 Hole, Tube type nozzle과 확대노즐의 기초 탈진 성능을 비교하였다.

확대노즐은 실험조건에서 노즐지름이 클수록 최대압력분포가 높게 나타났다.  여과포 내부의 최대압력이 다른 노즐에 비하여 약 50mmH2O정도 높게 나타났으며,  특히 여과포 중앙부분(128cm 지점)의 최대압력을 높은 상태로 유지시킬 수 있었다.  본 실험에서 확대노즐은 지름을 10mm이상으로 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

분사시간은 여과포 내부로 에너지를 공급하는 시간이며, 다른 종류에서와 마찬가지로 여과포 하부의 build-up 현상에 의한 압력증가 만을 증가시키는 것으로 나타 났다. 따라서 여과포의 길이에 따라 분사시간을 조절하면 적절한 탈진효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.  본 실험에 사용한 지름 156, 길이 3000mm인 여과포의 경우에서는 분사시간이 50ms에서 가장 균일한 최대 압력분포를 얻을 수 있었다.

확대노즐의 분사압력에 의한 영향은 최대압력의 차이가 가장 크게 나타난 여과포 하단부분(290cm지점)에서 분사압력 1.0Kg/cm2에 약 20mmH2O정도의 차이를 나타내어 공급된 에너지 변화에 비하여 최대압력의 변화가 적게 나타났다.  본 실험 조건에서는 분사압력이 5.0Kg/cm2인 조건에서 가장 균일한 최대 압력 분포를 얻을 수 있었다.

또한 노즐형상에 상관없이  venturi가 설치되지 않은 조건에서 여과포 내부의 최대 압력 분포가 높게 나타나는 현상을 보였으며,  압축공기가 분사되는 초기에 불안정 상태에서의 분사공기의 방향이 변화되어 venturi와 충돌하는 현상이 계속되는 것을 알 수 있었다.  그러나 확대노즐의 경우 Tube type nozzle과 같은 길이로 제작되었으나 분사공기의 직진성 및 탈진성능이 월등히 향상되어 venturi를 설치하지 않아도 고효율의 탈진성능을 나타내었다.

확대노즐의 기초 탈진특성결과 확대노즐의 설계에 따라 분사공기의 진행 방향과 속도 및 팽창정도를 조절할 수 있음을 알게 되었으며,  전산유제역학(CFD) program을 이용한 유동장 해석을 통하여 탈진성능을 향상시킨 확대노즐의 설계자료를 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌

1. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김홍룡 : □산업용 고효율 여과포 집진기술개     발□,  환경부, 한국에너지기술연구소, 제1단계 3차년도 단계보고서 9-1-2,1997.

2. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환: □유연탄 활용과 환경공해 방지대책연구 (Ⅴ),□

한국동력자원연구소, KE-89-79, 1989.

3. 박영옥, 구철오, 임정환, 김홍룡, 손재익, 이영우: □충격기류 탈진방식 여과포      집진장치에 의한 먼지 제거 특성 연구□, 한국폐기물학회지, Vol.13, No.5,        pp.603-615, 1996.

4. Richard Dennis and John Wilder :"Fabric Filter Cleaning Studis", EPA Final

Report, EPA-650/2-75-009(1975).

5. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김상도: □고효율 집진기술 산업용 직물여과포     집진장치  국산화 개발□, 환경부, 한국에너지기술연구소, 제2단계 3차년도 년     차보고서 9-1-2, 1998.