소결 금속 필터에 의한 AC Fine Dust의 포집 특성

서정민, 김상도, 손재익, 박영옥, 이봉희*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

충북대학교 화학공학과*

Filtration Performance of Sintered Metal Filter with AC Fine Dust

J.M. Seo, S.D. Kim, J.E. Son, Y.O. Park,  B.H. Lee*

Energy & Environment Dept., KIER

Dept. of Chem. Eng., Chung-Buk National University*

서론

국내 산업체에서 주로 적용되는 공정은 용광로, 시멘트 소성공정, 유동층 반응공정 및 건조공정, 촉매공정, 비철금속 제조공정 등인데, 이들의 공정에서 발생되는 배가스는 대부분이 고온 조건으로 일반적인 합성섬유 또는 무기질 섬유로 제조된 여과포를 적용할 경우 급격한 온도 상승에 의해 여과포의 재질이 변형되거나[eqn: rm SO_2]가 함유된 배가스 처리공정에서 수분응축에 의한 재질약화로 탈진조작시 파손 요인이 되고 무기질(glass) 재질의 여과포는 굴곡강도가 약해 충격기류 탈진방식에 적용이 불가능하다.  또한 불꽃을 함유한 먼지의 포집조작에서는 여과포에서 화재가 빈번히 발생되어 합성섬유 또는 무기질 섬유 단독으로 제조된 여과포로서는 적용이 불가능하다.  따라서 산업체 중·고온 공정에서 배출되는 먼지입자의 포집제거의 목적으로 활용하기 위해서는 배가스 온도의 적용한계가 없고 여과포의 수명이 길고 내마모 특성이 우수한 중·고온(250-450℃)에 적용이   가능한 여과포 개발이 필요한 실정이며 이러한 기술을 개발하기 위해서는 저 압력손실 및 절곡 유연성의 다차원 구조 및 다층구조 직조기술을 개발하고 소결 금속 필터 부직포의 micro pore형성 기술의 개발을 통해 국내 기술로 개발된 제품을 실용화하여 산업체의 보급이 시급하다.

본 연구에서는 Ikemori와 Kosakai가 제시한 관계식을 이용하여 필터에 걸리는  압력손실에 관한 상관관계식을 구하고자 한다.1)-2)

이론

여과포 집진장치에서 매우 중요한 변수 중의 하나는 압력손실이다.  여기서 압력손실이란 필터에 함진기체(dust-laden gas)가 통과할 때 발생되는 저항을 말하며 단위는 일반적으로 □Hg, [eqn: rm □H_2 O]로 표시한다. 따라서 압력손실은 여과포 집진장치에 함진기체의 유입 또는 처리된 기체를 배출시키는데 필요한 송풍기(fan)의 용량을 좌우한다.  송풍기의 흡인압력을 결정하기 위한 총 압력손실은 여과포 집진장치의 자체 압력손실인 함진기체에 대한 필터의 압력손실과 먼지퇴적층에 의한 압력손실 및 배관에서 마찰손실에 의한 압력손실의 총합이다.  본 연구에서는 필터에 의한 압력손실 즉, 청정 필터에 의한 압력손실과 먼지퇴적층에 의한 압력손실에 대해 알아보고자 한다.

Ikemori와 Kosakai3)는 부직포 필터(felt fabric filter)에 의한 먼지 포집 실험결과를 토대로 총 압력손실에 대한 청정 필터의 압력손실비는 통과하는 기체의 유속에 비례하고 먼지부하와는 지수함수 관계가 있다고 가정하여 다음과 같은 상관관계식을 제시 하였다.

[eqn: rm { DELTA P_t} over { DELTA P_f }~=~exp(rmC VW^k )]                      (1)

여기서 [eqn: rm DELTA P_t] = 총 압력손실([eqn: rm □H_2 O]), [eqn: rm DELTA P_f]는 = 청정필터의 압력손실([eqn: rm □H_2 O]), [eqn: rm C] = 상수, [eqn: rm V] = 여과속도(m/min), [eqn: rm W] = 먼지부하(g/□), [eqn: rm k] = 상수

이들은 일본공업규격(JIS)이 규정하는 실험용 먼지 11종4)이고 평균입자크기가 2.0□인 관동양토(Kantoh loam)를 부직포인 needle felt 필터에 의한 포집결과를 식 (1)에 적용시켜 제시한 압력손실비에 대한 상관관계식은 여과속도 V = 1.8 - 4.2 m/min에서 다음과 같다.

[eqn: rm { DELTA P_t} over { DELTA P_f }~=~exp(4.4 VW^0.667 )]                      (2)

실험

가. 실험용 먼지

본 연구에서 사용한 실험용 먼지는 Arizona Test Dust(AC Fine Dust)로 Volume Mean Diameter는 9.046□이고, 밀도는 2.65g/□이다.  Fig. 1에서 먼지의 표면형상을 볼 수 있다.

나. 실험용 소결 금속 필터

소결 금속 필터는 stainless steel fiber로부터 소결과 압축공정을 거쳐 제조되

는데, 본 실험에서 사용한 실험용 필터는 일본 Seinsen사에서 개발한 NF-05이다.  필터의 표면을 500배 확대한 SEM사진을 Fig. 2에 나타내었다.

다. 실험방법

소결 금속 필터의 여과성능 실험을 수행하기 위하여 Flat Sheet Type 기초실험장치를 사용하였고, 장치의 공정도를 Fig. 3에 나타내었다.  장치의 용량은 최대 0.45m3/min, 여과면적은 0.04m2(200mm×200mm) 이다.

본 실험에 적용한 여과속도는 3m/min이고 입구에서 유입되는 먼지의 농도는 2g/□에서 압력손실을 측정하였다.

Fig. 1 실험용 먼지의 SEM사진    Fig. 2 실험용 필터의 표면 SEM사진

결과 및 고찰

Fig 3. 에서 먼지부하에 따른 압력손실의 변화를 나타내었다.  먼지부하가 증가할수록 압력손실이 증가하였다.  먼지부하 초기에서의 압력손실 증가량이 크게 나타났는데 이는 먼지층 형성단계에 있어서 초기단계로서 필터의 공극을 구성하고 있는 단일 섬유주위에 먼지입자가 부착되는 단계로 예상되고 이 단계에서의 먼지부하량은 약 30g/□로 추정된다.  그 이상의 먼지부하 조건에서는 필터의 공극내를 완전히 먼지층에 의해 메워지고 필터 표면위에 먼지입자가 균일하게 퇴적된 단계로 추정된다.4)5)6)7)

실험결과를 토대로 식 (1)과 같이 Ikemori와 Kosakai가 제시한 상관관계식을 이용하여 다음과 같은 식을 얻었다.

[eqn: rm { DELTA P_t} over { DELTA P_f }~=~exp(0.286 VW^0.280 )]                  (3)

소결 금속 필터로 AC Fine Dust를 포집했을 때 얻은 상관관계식(3)이 어느정도 정확성이 있는가를 알아보기 위해 실험에 의해 측정한 값과 상관관계식에 의해 계산한 값을 비교했으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에서 상관관계식에 의해 계산한 값과 실험에 의해서 측정한 값의 좌표들이 대각선에 일치하여야 상관관계식이 정확하다고 볼 수 있다.  실제로 그림에서 보는 바와 같이 본 실험에 의해 얻어진 상관관계식은 정확하지는 않지만 대체로 근사한 값을 보인다.  그러나 더 정확한 식을 얻기 위해서는 먼지부하량에 따라 낮은 범위와 높은 범위를 나누어 식을 만들면 더 정확한 값을 얻을 것이다.

Ikemori와 Kosakai가 제시한 상관관계식(2)와 본 실험결과를 토대로 제시한 상관관계식(3)을 서로 비교하면, 본 실험에서 제시한 여과속도 상수와 먼지부하의 지수값이 이들이 제시한 값보다 더 낮게 나타났다.  이러한 현상은 이들이 실험에 사용한 필터가 본 실험에 사용된 필터보다 먼지포집 과정에서 발생되는 압력손실이 더 낮게 나타나는 것으로 추정된다.

Fig. 3 Flat sheet type 기초실험장치 공정도

Fig. 4 먼지부하량에 따른 압력손실        Fig. 5 실험값과 계산값의 비교

감사의 글

본 연구는 환경공학선도기술개발(G7) 사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. 손재익 외, □고효율 집진기술 산업용 직물 여과포집진장치 국산화 개발(Ⅱ)□, 환경부,한국에너지기술연구소, 제2단계2차년도 년차보고서 KIER-966417(1997)

2. □Perfecting an Ideal Filter Medium", Metal Powder Report, vol. 46, pp. 19-20 (1991)

3. Ikemori, K. and Kosakai, Y., "Collection Efficiency, Flow Resistance and Their Correlation in a Needle-Punched Felt Used for Bag Filter", J. Japan Air Cleaning Assoc., 16(3), 1-19 (1978)

4. Thomas, D. G. and Lapple, C. E., "Deposition of Aerosol Particles in Fibrous", A.I.Ch.E. Journal, 7(2), 203-210 (1961)

5. Loffer, F. and Muhr, W., "A study of the Deposition of Particles in the 1-10 Microns Range in Model Filters", Filtration Society's Conference, Olympia, London, 4-8, Sept. 25-27 (1973)

6. Johnston, H. F. and Roberts, M. H., "Deposition of Aerosol Particles from Moving Gas Streams", Industrial and Engineering Chemistry, 41(11), 2417-2423 (1949)

7. Tien, C., Beizaie, M. and Wang, C. S., "A simulation Model of Particle Deposition on Single Collector", Chem. Eng. Commun., 13, 153-180(1981)