고온·고압 배가스 정제용 국산 세라믹 캔들 필터 기초 성능특성

김 종원, 손 재익, 박 영옥, 임 정환, 김 장호*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 동아대학교 환경공학과*

Basic Performance of Domestic Ceramic Candle Filter Elements for High-Temperature and High-Pressure Particulate Cleanup Systems

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

Energy & Environment Research Dept., KIER,

Dept. of Environment Engineering, Dong-A University*

서 론

금속제품 제조공정, 산업용 화학제품 제조 및 가공공정, 시멘트 석회제조공정, IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle), PFBC(Pressurized Fluidized Bed Combustion) 그리고 폐기물 소각시설 등에서는 고온·고압의 배가스가 배출된다.

고온·고압에서 배출되는 배가스 정제를 위해 도입을 검정하고 있는 집진 시스템으로는 세라믹 필터 집진기, 전기집진기, 입자층 여과기, 건식 또는 습식 스크러버, 그리고 여러 가지 Barrier 필터가 있다. 전기집진기는 이론적으로 우수한 집진 성능을 보일 수 있으나 고온·고압에서 시스템의 불안전함에서 오는 결점으로 인하여 그 집진 효율이 만족스럽지 못하고, 입자층 여과기의 경우 역시 불안정한 시스템 운전 및 층입자에 묻은 먼지의 재비산 등의 문제로 만족스런 집진 성능이 보장되지 않는다. 이에 비해 세라믹 필터는 기공도의 조절로 고온·고압에서 요구되는 절대 효율을 추구할 수 있다.

세라믹 필터는 캔들 필터, 튜브필터 그리고 cross flow 필터의 형태로 나뉘어 개발되고 있다. 이 중에서 세라믹 캔들 필터는 안정적인 집진 효율을 얻을 수 있고, 시스템 설계 및 운전이 제일 무난하기 때문 전세계적으로 연구가 제일 활발하게 이루어지고 있다. 외국의 경우 세라믹 캔들 필터 시스템은 25년 전부터 독일의 Schumacher사가 SiC 소재로써 개발하여 왔으며, 각종 규모의 시험 단계를 거쳐서 현재 상용화 도입 단계에 있다. 그리고 미국의 Refractron사와 일본의 NGK사 등에서도 최근에 개발을 착수하여 큰 성과를 보이고 있다. 설계기술은 독일의 LLB사, 미국의 EPRI와 PALL사, 일본의 MHI사 등이 주축이 되어 개발하고 있다.1

이와 같이 국외의 경우에는 세라믹 캔들 필터 제조기술과 장치 설계 및 제작기술이 확립되어 상용화단계에 있지만 국내의 경우에는 단계에 미치지 못한다.

본 연구는 고온·고압용 국산 세라믹 캔들 필터의 개발을 위한 기초연구로서 한국에너지기술연구소에서 개발한 세라믹 캔들 필터를 상온·상압의 조건에서 압력손실 특성 및 집진 성능 특성을 확인하여 기초성능특성을 규명하고자 한다.

세라믹 캔들 필터의 특성

세라믹 캔들 필터의 소재는 기계적 강도, 열 및 화학적 저항성, 그리고 열 및 기계적 충격 저항성을 유지하면서 적당한 크기의 기공을 발달시키는 조건을 만족해야 한다. 이 조건을 만족시키는 소재는 뮬라이트, 탄화규소, 샤모트, 코디어라이트가 있다.

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 필터는 한국에너지기술연구소(KIER)에서 개발한 것으로 <그림. 1>에 나타내었다. 내부층은 입자가 큰 탄화규소 granular의 소결층으로써 성형압 250, 300, 350□/□으로 제조하여 필터강도와 구조를 유지하고 표면의 여과층은 100∼200□ 두께의 얇은 뮬라이트 미립자 층으로 구성되었다. 필터의 크기는 내경/외경이 40/60mm고 길이가 30cm이다. 필터 한 개의 여과 면적은 0.057□이다.

코팅전

코팅후

<그림. 1> 실험용 세라믹 캔들 필터 사진

실험장치 및 실험방법

<그림. 2> 세라믹 캔들 필터 실험장치의 공정도

본 실험장치의 공정도는 <그림. 2>에 나타내었다. 실험장치는 한국에너지기술연구소에서 제조한 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.3

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 세라믹 캔들 필터를 코팅 전·후로 구분하여, 먼지농도를 5g/S□으로 고정시키고 여과속도를 3, 5, 7m/mim로 변화시켜 실험을 수행하였다.

결과 및 토론

본 실험에 앞서 예비실험으로 Flat Sheet Filter Test Unit에서 5, 10초 동안 성형한 세라믹 Flat Sheet Filter(250×250×10)와 내경/외경이 30/65mm이고 길이가 45cm인 세라믹 캔들 필터를 이용하여 압력손실 특성, 먼지입자 크기별 출구농도 그리고 총괄 집진효율 특성을 실험하여 <그림. 3∼5>에 나타내었다.

지지층을 탄화규소로 성형압 250, 300, 350□/□으로 제조한 세라믹 캔들 필터를 뮬라이트 여과층 코팅 전·후로 구분하여, 먼지농도를 5g/S□으로 고정시키고 여과속도를 3, 5, 7m/mim로 변화시켜 실험한 결과 값은 결과정리중이며 9월말까지 완료할 예정이다.

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, pp1∼3, 55∼60 (1994).

2. 박영옥, 손재익, 김영성, 구철오, 임정환 : □Pulse-Jet식 여과포집진장치의 여과포 성능시험 연구(Ⅰ),□ 과학기술처, (1989).

3. 최호경, 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김상도 : □고효율 박막여과포의 성능 평가□ 화학공학의 이론과 응용, Vol.4, No.2, pp2837∼2840, (1998).

4. 박경원, 최주홍, 금상명, 정재화 : □세라믹 캔들 필터 제진기의 고온 운전□ 화학공학의 이론과 응용, Vol.4, No.2, pp2841∼2844, (1998).

5. 최주홍 외 : □IGCC용 고온고압 벤취급 세라믹 필터 집진기 운전(Ⅰ)□, 전력연구원, (1998).

a) Ceramic Flat Sheet Filter

b) Ceramic Candle Filter

<그림. 3> 먼지부하에 따른 압력손실

a) Ceramic Flat Sheet Filter

b) Ceramic Candle Filter

<그림. 4> 먼지입자크기별 출구농도

a) Ceramic Flat Sheet Filter

b) Ceramic Candle Filter

<그림. 5> 먼지부하에 따른 총괄집진효율