세라믹 캔들 필터 제진기의 고온 운전 -그룹 필터 운전-

박경원, 최주홍, 금상명, 정재화*

경상대학교 화학공학과, 전력연구원 수화력발전 연구실*

Operation of Ceramic Candle filter at High Temperature

-Operating of Group Filter Elements-

Kyung-won Park, Joo-hong Choi, Sang-myung Keum,

Jae-wha Chung*

Dept. of Chem. Eng. Gyeong-sang National University,

KEPRI Reseach Center*

서론

에너지 자원의 한계로 인하여 석탄의 사용 의존도가 높아질 예정이며, 화석연료의 사용은 지구 온난화 및 환경오염문제로 그 사용이 엄격하게 통제될 예정이다. 따라서 석탄활용의 효율 증대와 오염물 발생 저감을 위한 신발전 기술의 도입이 시급하다. 석탄 신발전 기술로는 석탄가스화 복합 발전(IGCC)과 가압유동층 복합발전(PFBC)기술이 현재 상용급 도입에 제일 근접해 있다[1]. 이들 기술에서 고온 분진제거는 가스터빈의 보호, 열효율의 증대, 대기오염규제 측면에서 필수적이며 세라믹 캔들 필터가 가장 유망한 시스템으로 알려져 있다.

세라믹 캔들 필터는 구멍이 나있는 튜브시트에 수직으로 설치되며 벤츄리와 같은 눌림쇠로 고정된다. 분진은 필터의 멤브레인층에 붙으면서 cake를 형성하게 되고 청정가스는 기공을 통해 청정부로 모인다. 장기운전을 위해선 주기적으로 필터 내부에 고압가스로써 역세정을 하여 형성된 분진cake를 털어주어야 한다. 이를 위해 각 필터 상부에는 노즐이 설치되어 있고 노즐은 메니폴더에 연결되어 있다. 그러나 수천개의 여과체가 있는 상용급에서 역세시스템의 설치는 상당히 복잡하다. 따라서 역세정 시스템의 운영이나 설계는 집진수행에 있어서 상당히 중요하다. 본 연구에서는 한 그룹에 2내지 3개의 필터를 기본단위로 하는 그룹 필터의 역세효과를 관찰하여, 세라믹 필터의 설계 및 운전을 위한 자료를 얻고자 했다.

실험

실험장치의 공정도는 이전의 보고서에 나타내었다[2]. 세라믹 캔들 필터 재질[3]로써 형태를 구성하는 지지층 부분은 SiC소결체로 구성되어 있고 분진이 cake를 형성하는 멤브레인층은 SiC와 산화알루미나의 혼합체로 구성되어 있다. 멤브레인층의 두께는 100-200□이며, 평균 10□의 기공으로 구성되어 있다. 필터의 총 길이는 1m이며 여과면적은 필터 1개당 0.18m2 이다. 본 연구에서는 7개의 필터를 사용했으므로 총 여과면적은 1.26m2이 된다. 7개의 필터는 2,2,3개로 된 3개의 그룹으로 설치되었고 그룹별로 역세정을 할 수 있게 설치되었다. 필터 하부로부터 분진을 함유한 가스가 주입되어 필터벽을 외부에서 내부로 통과한 후 상부의 청정부로 빠져나가게 된다. 디퓨져는 확장 노즐 형태로 하였으며 역세 노즐의 지름은 11mm로 하였다. 지름이 40mm인 메니폴더는 펄스가스 저장탱크에 25mm 튜브로 연결되어 있으며 펄스가스 저장탱크의 크기는 68.5□이다. 고압 Compressor에서 나온 펄스가스는 공기건조와 필터를 통과하여 정제된 후 저장탱크로 이송된다. 1/2″크기의 역세 밸브는 25mm 배관중에 설치되었다.

역세정시 필터내부의 천이압력을 측정하기 위해 Fig. 1에서 보는 바와 같이 필터의 상(PC3), 중(PC2), 하(PC1)에 각각 압력센서에 유도되는 튜브의 끝점을 설치하여, data aquisition system으로 이들을 측정하였다.  역세량은 역세  전후의 공기 저장 탱크 압력변화로부터 계산하였다.

결과 및 고찰

가열공기를 얻기 위해 사용된 Oil burner의 내부 온도는 1100-1300℃범위에서 운영되었다. 이렇게 가열된 연소가스는 Screw feeder에서 정량적으로 주입되는 분진과 섞여 제진기 하부로 주입되게 된다. 이때의 제진기의 내부 온도는 450℃까지 도달하였다. 제진기의 입구와 출구에서 가스의 온도차는 약95℃이다.

투입되는 분진의 농도는 10-50g/m3범위에서 조정하였으며 분진의 부피평균크기는 Model 770 Accusizer of Particle Sizing system으로 측정한 결과 12□이었다. 본 실험에 사용된 분진의 구성은 무게비로 SiO2 48.80%, Al2O3 23.00%, Fe2O3 6.20%, CaO 4.32%, MgO 0.29%, K2O 1.11%이었으며 11.40%는 불연성 물질이었다. 집진효율은 99.9%이상이었으며 청정가스에 포함된 미량의 분진입경은 5□이하였다.

역세정은 고압가스가 필터의 내부에서 외부로 강하게 충격을 줌으로써 필터 외벽의 분진 cake를 탈리시켜 주는 역할을 하게 된다. 역세정효과는 노즐의 크기, 디퓨져의 설계, 펄스 시스템의 배열, 운영조건에 의존하게 된다. 그래서 역세 최적조건은 각 경우마다 다르게 되는 것이다. 분진 cake의 탈리는 시스템의 설계, 분진 cake의 특성, 펄스 조건, 탈리 조건에 의존한다. 대부분의 분진 cake는 대략 300ms내에 제거된다. Base-line pressure drop rate(rR)은 □(□PB)/□t로 나타내며 이 값이 0에 근접할수록 장기운전이 가능하다고 할 수 있다.

Fig. 2는 펄스 압력에 따른 Base-line pressure drop rate(rR)의 변화를 나타낸 것으로써 펄스압력이 4bar이상의 조건일 때 rR값이 0으로 됨으로써 운전이 안정하다고 할 수 있다. 이 때의 여과속도(Face velocity)는 3.08cm/sec이며, 펄스지속시간(Pulse duration time)은 0.8sec, 이때의 제진기의 중앙 온도는 420℃이다. 펄스주기는 5min으로 하였으며 펄스 최소 압력인 4bar가 이 시스템에서의 적절한 압력이다. 주입되는 역세정 공기의 량은 펄스압력에 따라서 선형적으로 증가하는 것을 Fig. 2에서 볼 수 있다.

Fig. 3은 여과속도에 따른 Base-line pressure drop rate(rR)의 변화를 나타낸 것이다. Base-line pressure drop rate(rR)는 여과속도가 커짐에 따라 급격하게 증가한다. 압력손실 또한 여과속도가 2.5cm/sec이상일 때 빠르게 증가한다. 이것은 Liperts의 주장에 따라 분진 cake의 Pressure drop은 여과속도에 따라 2차원적으로 증가함을 보였다. 이것은 높은 여과속도에서 분진 cake가 다져져서 기공도가 감소하기 때문이다.

Fig. 4는 각각의 펄스압력과 펄스지속시간에 해당되는 펄스량에 따른 Base-line pressure drop rate(rR)의 변화를 나타내었다. 그 결과 펄스량이 25g이상일 때 연속운전이 가능하다고 할 수 있다. 펄스압력이 높고 펄스지속시간이 길수록 역세량이 증가되며, 일정한 값 이상에서 최적의 역세조건이 얻어짐을 볼 수 있다.

결론

그룹 필터 시스템의 운전을 수행하기 위하여 오일버너를 이용해 제진기의 온도를 400℃이상으로 가열하였으며, 7개의 SiC 캔들 필터가 그룹으로 설치된 벤취급 집진기를 운전한 결과 다음의 운전자료를 얻었다. 펄스지속시간이 0.8sec이고 펄스압력이 4bar이상일 때 장기연속운전을 위한 안정적인 조건이 되며, 1m길이의 SiC 캔들 필터의 탈진을 위해선 펄스량이 각 필터 당 25g이상이 요구되는 것을 관찰하였다.

참고문헌

1. Choi. J.H., et al., "A Study on the Development of HTHP Particulate Removal      System for IGCC", Report of KEPCO Research Center, (1994).

2. Park, K.W., Choi, J.H., Bak, Y.C., Jeong, H.I., and Chung, J.H.: "Operation of      Ceramic Candle Filter at High Temperature. -Mounting of Group Filter Elements-",    Theories and Applications of Chem. Eng., 4(1), 1561-1564 (1998).

3. Durst, M., Freude, E., Schulz, K., and Walch, A.: "Schumacher's Hot Gas Filter     Technology", Private report, March (1996).

Fig.1. The detail view of pressure                  Fig.2. The change of the baseline pressure

measuring positions.                               drop rate(●) and pulse mass(▲) with

the variation of the pulse pressure.

Fig.3. The effect of face velocity on the pressure        Fig.4. The baseline pressure drop rate

drop(▲) and baseline pressure drop rate(●).                   vs the pulse amounts.