충격기류 탈진방식 여과집진장치의 압축공기 분사조건에 따른 탈진성능 실험

차동열, 박현설, 박영옥, 배우근*

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터, 한양대학교 토목환경공학과*

Experimental Study on Cleaning Performance of Pulse-Jet Fabric Filters for Various Air Ejecting Conditions

D. Y. Cha, H. S. Park, Y. O. Park, W. K . Bae*

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research, Civil & Environmental Engineering, Hanyang University*

서론

최근 환경규제 강화에 따라 화석연료를 사용하는 산업체와 신설되는 폐기물소각로에 여과포 집진장치 설치가 증가하고 있는 실정이며 국내 산업체에서 운전중인 여과포 집진장치는 대부분이 충격기류분사(Pulse-Jet Cleaning)에 의한 탈진방식이 이용되고 있다. 충격기류탈진방법은 다른 탈진방법에 비하여 탈진효율이 우수할 뿐만 아니라 집진과 탈진조작이 동시에 이루어지기 때문에 집진장치 설치시 여과포 소요 면적과 설치부지 면적이 적고 부대시설비가 저렴하여 널리 사용되고 있다. 압축기에서 압축된 공기는 먼저 유분과 수분이 완전히 제거된 후 압축공기저장탱크(Compressed air header)에 저장되고 솔레노이드 밸브(solenoid valve)가 작동하면 일정량 토출되어 블로우 파이프(blow pipe)를 통해 노즐에서 분사되어 여과포 상단의 벤츄리(Venturi)로 유입되어 여과포 내부로 분사된다. 충격기류분사방식에서는 탈진조작을 위해 압축공기 저장탱크, 솔레노이드 밸브, 타이머, 블로우 파이프, 노즐, 벤츄리가 구성되어야 한다. 벤츄리는 노즐에서 분사된 공기가 유입되는 순간 가속과 2차공기 유입역할을 하며 이때의 유입량은 벤츄리 형상에 따라 노즐 분사 유량의 2배에서 4배까지 변한다. 벤츄리는 이러한 장점이 있으나 여과포 교체시 탈착에 대한 번거로움과 장치 설치비의 증가요인이 되며, 여과포의 중심으로 탈진공기가 유입되도록 벤츄리가 정확히 설치를 되어야 탈진조작시 여과포의 손상을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 노즐과 여과포 상단간의 거리를 조절하면서 탈착조작시 여과포 내부의 압력변화를 살펴보았으며 더불어 벤츄리의 유용성에 관한 실험을 수행하였다.

충격기류식 탈진방식

충격기류식 여과포 집진장치의 압축공기 저장탱크로부터 분출되는 고속 팽창기류는 블로우 파이프를 통과하여 설치된 노즐에서 초음속으로 분사가 된다. 노즐의 형태, 분사속도, 위치, 각도, 시간에 따라 여과포 표면에서 충돌하는 힘과 압력분포는 변하며 탈진효율과 여과포의 손상여부에 많은 영향을 미치게 된다. 이러한 탈진시스템에서 충격 기류가 노즐을 통해 분사될 때 여과포의 윗부분에 설치되어 있는 벤츄리의 목부분을 통과한후 여과포 내부에 분사된다. 이 순간 여과포 상단에 음압이 형성되면서  주변에 있던 공기가 여과포 내부로 유입된다. 이렇게 유입된 주변공기의 양이 클수록 탈진 효과를 증가시킨다. 여과내부로 유입된 분사제트는 내부 벽면에 충돌되고 반사하면서 여과포 하부에서부터 누적되기 시작한다. 이때 여과포 내부에서의 압력상승은 벽면이 다공성 매질로 되어 있으므로 공기의 통과 특성에 의해 압력 강하량이 좌우된다.

실험방법

충격기류 탈진방식 여과집진장치의 압축공기 분사 조건에 따른 탈진성능 실험을 위해 실험으로 지름 150mm, 길이 3m의 상온용 여과포를 사용하였다. 이 실험에 사용한 균일 탈진에너지 전달 실험장치 본체는 상부에는 청정 공기 배출구가 있으며 중앙 부분에는 여과포 설치구간으로 탈진을 위한 압축공기의 분사 특징을 관찰하기 위해 투명한 아크린재질로 창이 되어있다. 하부는 먼지를 함유한 기체의 유입부분과 탈진시 먼지 배출용 스크류 주입기와 저장용 호퍼 먼지공급용 주입기가 있는 장비를 사용하였다. 그림1에 본 실험에 사용된 충격기류 탈진방식 실험장치의 대략도를 나타냈다. 노즐과 여과포 상단간의 거리를 100-400mm로 하고 분사 압력을 3-6kg/cm2로 하여 벤츄리 유무에 따른 여과포 내부의 압력분포를 측정하였다.

그림1. 충격기류 탈진방식 여과집진장치의 탈진 성능 실험 흐름도

결과 및 고찰

그림2와 그림3은 노즐과 여과포 상단간의 거리가 100mm와 400mm인 경우 여과포 내부의 압력분포를 벤츄리의 영향과 함께 나타내었다. 사용된 노즐은 내경이 10mm인 금속 튜브 형태이고, 분사압력은 4kgf/cm2이다. 두 경우 모두 여과포 상부에서 압력이 증가하며, 중앙부분 1780mm에서는 감소 추세를 보였으며, 하부에서는 증가하는 경향을 보였다. 그림2의 결과를 보면 벤츄리를 설치 않았을 때가 벤츄리를 설치했을 때보다 10-30%정도 높게 나타나며 상부와 하부 모두 비슷한 경향을 유지하였다. 그림3의 경우도 벤츄리를 설치하지 않고 실험한 경우가 벤츄리를 설치했을 때보다 10-50%정도 높게 나타났다. 따라서 본 실험조건에서는 벤츄리가 오히려 탈진에 있어 역효과를 유발하는 것으로 나타났다. 이는 벤츄리로 인해 탈진공기 분사시 2차 공기의 유입이 차단되어 탈진효과가 줄어든 것으로 판단된다.

그림4와 그림5는 벤츄리를 설치하였을 경우와 벤츄리를 설치하지 않은 경우 분사압력과 노즐과 여과포 상단간의 거리의 변화에 따른 여과포 상단 1220mm 지점에서의 여과포 내부의 압력분포를 나타내었다. 그림4와 그림5에서 보듯이 벤츄리 설치 유부에 따라 측정지점에서 내부압력이 10%정도 차이가 있음을 알수있다. 분사 압력이 커질수록 여과포 내부의 압력이 증가함이 보였으며 벤츄리를 설치하지 않았을 경우가 벤츄리를 설치했을 경우보다 여과포 내부의 최대압력분포가 높게 나타났다.

결론

본 연구에서는 먼지 무부하조건에서 압축공기 분사조건에 따른 여과포 내부의 압력 분포를 살펴 보았다. 본 실험에서 벤츄리 설치에 따른 탈진상승 효과는 없었으며, 오히려 벤츄리의 설치로 인해 탈진효과가 감소함을 알 수 있다. 또한 분사 노즐과 여과포간의 거리가 100mm-400mm인 경우 탈진성능에 큰 영향을  주지 못했다. 여기서 노즐과 여과포 상단간의 거리는 탈진성능과 관계가 적음을 알수 있다.

참고 문헌

1. 박영옥, 구철오, 임정환, 김홍룡, 손재익, 이영우: □충격기류 탈진방식 여과포

집진장치에 의한 먼지제거 특성 연구□, 한국폐기물 학회지 Vol.13. No.5 603-615   (1996)

2. 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김상도: □고효율 집진기술산업용 직물여과포 집진장치 국산화개발□, 환경부, 한국에너지기술연구소, 제2단계 1차년도 연차보고서 9-1-2 (1997)

3. Morris. K and R. W. K. Allen The Role of Venturis in Pulse-Jet Filter Filtration & Separaton Vol.1,2. pp24-31 (1990)

4. SIEVERT. J, F. LOFFLER  Fabic Cleaning in Pulse-Jet Filters Che. Eng. Process  Vol.12. pp179-183 (1989)

5. Morris .J. W Cleaning Mechanisms in Pulse Jet Fabric Filters Filtration & Separaton Vol.2. pp50-54 (1984)

그림2. 노즐과 여과포 상단간의 거리가 100mm일 때 여과포 내부의 압력분포

그림3. 노즐과 여과포 상단간의 거리가 400mm인 경우 여과포 내부의 압력분포

그림4. 벤츄리를 설치한 경우 여과포 상단 1220mm에서의 최대압력값

그림5. 벤츄리를 설치하지 않은 경우 여과포 상단 1220mm에서의 최대압력값