분진 케이크를 통한 압력 손실에 영향을 미치는 분진의 특성

안 정 준, 최 주 홍

경상대학교 공과대학 화학공학과

Characterization of coal fly ash influencing pressure drop through

a dust cake during filtration.

J. J. Ahn, J. H. Choi

Dep. of Chemical Eng. Gyeongsang National University

서론

IGCC(Integrated Gasfication Combined Cycle) 혹은 PFBC(Pressurized Fluidized Bed Combustion) 공정 가운데 중요한 부분중의 하나가 집진이며 세라믹 캔들 필터를 사용하여 집진을 수행 할 경우 dust cake에 의해 형성되는 pressure drop이 중요한 인자로 작용하게 될 것이다.

Filtration 동안 형성된 dust cake의 성질은 주로 face velocity, filter medium, gas temperature 그리고 particle properties에 의존한다.[1] 다른 특성을 가지는 particle은 다른 성질의 filter cake를 형성한다. 이로 인하여 다른 pressure drop을 형성하게된다. Particle의 특성으로는 size distribution, shape factor, density, chemical reactivity, surface features, porosity, composition distribution등이 있다.[2] Particle size distribution과 composition distribution은 particle 사이의 vander waalse forse에 영향을 미치고 이것은 다시  particle의 stickness에 영향을 미치게 된다.[3] 이것은 곧 pressure drop에 영향을 미칠 것이다. Shape factor를 고려해 보면 일반적으로 irregular particle이 spherical fly ash보다 큰 dust cake porosity를 가진다. 그 이유는 irregular particle이 spherical particle보다 더 불규칙하게 배열되기 때문이다.[4] 이로 인해 irregular particle이 형성한 cake는 spherical particle이 형성한 그것보다 더 작은 pressure drop을 나타낼 것이다.

IGCC 공정에서 carbon의 함량이 60%까지 있을 수 있다.[5] 그러므로 carbon의 함량에 따라 형성되는 dust cake는 다른 특성을 가질 수 있으며 이러한 다른 특성은 다른 pressure drop을 나타낼 수 있을 것이다.

Particle의 특성에 따라 다르게 형성되는 dust cake에 형성되는 pressure drop을 알아봄으로써 세라믹 캔들 필터를 이용한 집진기의 안정적인 제어에 활용될 수 있을 것이다.

실험장치 및 실험방법

본 실험은 particle의 특성에 따른 pressure drop을 알아봄으로써 세라믹 캔들 필터를 이용하는 집진기의 안정적인 제어에 이용하는데 목적이 있다.

본 실험은 particle shape, 즉 shperical과 irregular 그리고 탄소의 함량을 0 - 20%까지 변화시키면서 실험을 하였다.  particle shape의 영향을 알아보기 위해서 동해화력의 FBC 회와 삼천포 화력의 회를 사용하여 그 집진 특성을 비교하였다. Table. 1은 본 실험에 사용된 fly ash들의 특성을 나타낸 것이다. 두 분진의 입경은 비슷하면서 형상이 서로 다른 특성을 가진 것을 볼 수 있다. FBC 분진의 경우 충전기공과 표면적이 큰 값을 보이는 데 이는 비구형의 미연탄분이 다량으로 함유되어 있기 때문으로 판단된다. Fig. 1은 본 실험에 사용된 실험장치의 개략도를 나타낸 것이다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental unit for ceramic candle filter

Table. 1 Characteristics of fly ash from the PC boiler and fluidized bed                 combustor

Property	Test method	PC(Samchonpo)	FBC(Donghae)
Mean particle size (□m)	Aerodynamic particle analyser	8.5	8.5
True density	Re Sattlier	2.063	2.439
Bulk density		0.932	0.849
Porosity, □		0.548	0.652
Specific surface area (m2/g)	BET	5.48	48.43
Morphology	SEM	Spherical	Random

Fig. 2는 SEM사진으로 나타낸 fly ash의 모양을 나타낸 것이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 일반적으로 PC보일러에서 연소된 것은 spherical 형태를 나타내고 유동층에서 연소한 것은 irregular 형태를 나타낸다.

(a)                                   (b)

Fig. 2. Fly ash shape (a: 삼천포 화력 발전소, b: 동해 화력 발전소)

또한 본 실험에서는 분진 중에 포함되는 탄소의 함량이 집진특성에 미치는 영향을 보기 위하여 기존의 석탄회에 그 입자분이 비슷한 복사용 토너를 혼합하여 역세정 특성을 비교하여 보았다. Table. 2는 실험에 사용된 시료의 입자 사이즈를 비교한 것이다.

Table. 2. Particle size of the test dust

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Sample          Mean particle size(□)    Max. particle size(□)

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Fly ash         3.19                      14.0

Carbon          3.46                      12.0

10% carbon      3.15                      14.0

20% carbon      3.20                      14.0

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결과 및 토론

Fig. 3은 임시 분진층을 통한 압력손실 특성을 나타낸 것으로써 비구형의 FBC 회를 사용한 경우 상대적으로 큰 값을 나타낸다. 따라서 비구형의 분진입자가 구형의 입자보다 세라믹 표면에 조밀하게 충진되는 것으로 해석된다. 그러나 Fig. 4는 펄스압력이 낮을 때 영구 분진층의 압력상승속도는 FBC 회의 경우가 낮은 것을 나타낸다.

Fig. 3. Effect of particulate on the       Fig. 4. Effect of particulate on the

pressure drop rate through the          pressure drop rate through  the

dust cake.                              residual layer.

Fig. 5는 탄소함량에 따라 영구층을 통한 pressuer를 나타낸 것으로써 역시 탄소의 함량이 높을수록 압력손실이 감소됨을 보인다. 따라서 탄소 함량이 높은 IGCC 분진의 경우 같은 입자 사이즈를 가질 때 석탄회의 경우 보다 낮은 압력손실을 나타낼 것으로 예상된다. Fig. 6은 기저 압력손실 속도에 미치는 탄소의 영향을 각각 여과속도변화에 따라서 나타낸 것이다. 전반적으로 탄소의 함량이 높을 때 역세정 특성이 우수함을 나타냈다..

Fig. 5. Effect of carbon content on       Fig. 6. The effect of carbon content

the pressure drop through the residual     on the pressure drop rate with the

layer with the variation of the dust     variation of face velocity at RT

load at RT(pulse P : 5bar ).            (Dust load : 45 g/min pulse P: 5bar,

pulse duration: 0.2sec).

참고문헌

[1]. Stefan Berbner, Torsten Pilz. "Characterization of the filration and              regeneration behaviour of rigid ceramic barrier filters at high                 temperatures" (1996)

[2]. Richard Dennis. "Collection efficiency as a function of particle size, shape,      and density" (1974)

[3]. John P. Hurley, Jan W. Nowok, Tina M. Strobel, Cathy A. O'keefe, Jay       A. Bieber, Bruce A. Dockter "Rates and mechanism of strength               development in low-temperature of deposits" (1995)

[4]. Yu-Hsiang Cheng and Chuen-Jinn Tsai "Factors influencing pressure         drop through a dust cake during filtration." (1998)

[5]. R. Pruschek, G. Veljeklaus, V. Brand "Measures for efficiency                enhancement and cost reduction of IGCC - Gasfication, Gas Clean-up,        Power plant components." (1996)