세라믹 캔들 필터의 역세정을 위한 최적노즐 설계에 관한 실험적연구

금상명, 최주홍, 안정준

경상대학교 화학공학과

The experimental study on the optimum nozzle design

for the pulse cleaning of a ceramic filter candle

Sang-Myung Keum, Joo-Hong Choi, Jung-Jun Ahn

Department of Chem. Eng., Gyengsang National University

서론

IGCC의 가스화 공정에서 제조된 가스는 가스정제 공정에서 분진과 반응성 가스가 제거된 후에 가스터빈을 가동한다. 가스정제 공정 중 탈황과 병행하여 채택되는 집진 공정은 생성가스 중의 미립자를 가스 터빈의 운전시 마모를 최소화할 수 있는 10mg/m3 이하로 유지하는데 필요한 공정이다. 이러한 점에서 세라믹 캔들 필터는 다양한 변화에 대처할 수 있고, 가스 터빈의 보호를 위하여 절대 효율이 보장될 수 있으며, 경제 환경적으로도 타당한 집진 기술로서 평가받고 있다.  IGCC 가스로부터 분진을 연속적으로 제거하기 위하여 세라믹 필터 집진기는 집진기, 역세정부, 그리고 회배출부로 크게 구성되어 있으며, 그 중 세라믹 필터의 세척을 위한 역세 시스템은 고압가스 발생부, 펄스가스 저장부, 그리고 펄스 노즐부로 구성된다[1]. 이 중에서 역세정시 노즐을 통한 분진제거 과정은 세정 매체인 공기 또는 질소가 압축되어 있는 저장부로부터 노즐을 통하여, 펄스 제트에 의해 디퓨저 내로 유입되고, 필터 내부로 정제가스의 동반류와 함께 유입되어, 거의 1 초 이내에 역세정이 이루어진다. 이때 세라믹 캔들 필터 표면에 부착되어 있는 석탄분진은 노즐을 통한 고압의 역세정 압력에 의하여 제거되며, 역세정 효율을 향상시키기 위하여 역세정 노즐의 형상, 역세정 노즐 끝단의 위치, 역세정 압력의 세기 및 역세정 압력의 주기, 디퓨저 형상, 세라믹 필터 등을 최적화하여 설계할 필요가 있다. 그중에서도 노즐은 역세정시 여과체를 통한 분진제거에 가장 큰 영향을 미치고, 필터의 파손에도 영향을 미치는 역세시스템의 핵심이라 하겠으며, 이러한 노즐 특성에 관한 연구가 진행되고 있다[2,3]. 본 실험에서는 straight와 convergent노즐의 역세정 효과를 규명하고, 최적의 노즐 size와 역세정 압력변화에 따른 필터 내부의 압력형성을 규명하여 노즐을 최적화하는데 중점을 두었다.

실험

노즐의 size와 형상에 따른 역세정 효과를 규명하기 위하여 기존의 고온 bench급 집진 장치에 Fig. 1과 같이 세 그룹의 매니폴더를 설치하였고, 각각의 매니폴더에는 2개의 노즐이 달려있다. 노즐은 straight, convergent(1), convergent(2)를 사용하였으며, straight, convergent 모두 매니폴더에 수직이 되게 설치하였으며 convergent노즐의 경우 직관의 맨 하단에 직접 제작한 축소노즐을 끼워 사용하였다. 여과체는 상업적으로 고온집진에 사용되고 있는 세라믹 캔들 필터(길이 1.5m, 외경 0.06m, 내경 0.04m)가 사용되었다. 세척을 위한 역세 시스템은 고압가스 발생부, 펄스가스 저장부, 그리고 펄스 노즐부로 구성되어 있으며, 공정의 운전은 고압 compressor에서 압축된 공기가 펄스 가스 저장부에 저장되어 있다가 펄스 주기와 펄스cycle이 입력된 컴퓨터 프로그램에 의해 전기적인 신호로 바뀌어 Solenoid valve를 작동 시키고, 이때 필터의 세척을 위하여 역세정 가스가 주입된다. 펄스 가스가 주입되는 동안 역세정 시스템의 천이압력을 측정하기 위하여 필터 내부의 상, 중, 하(필터 맨 윗단에서부터 수직으로 5cm, 75cm, 145cm,) 매니폴드, 노즐, 집진부의 중요 위치에 압력을 측정할 수 있도록 튜브를 삽입시켰다. 이러한 압력은 펄스밸브가 작동할 때 동시에 측정이 될 수 있도록 압력계에 튜브로 유도 되었고, 읽혀진 압력들은 자료처리 시스템(Data aquisition)에 수집되어 저장되게 하였다. 펄스 역세정을 담당하는 장치들의 목록은 Tabal 1에 보였다. 실험의 조건은 펄스 duration을  0.2초로 고정하였으며, face velocity(가스 총 처리유량 / 총 여과면적)는 0cm/sec, 2cm/sec, 4cm/sec에서 각각 실험을 하였으며, 온도는 상온에서 실시하였다.

Table 1.  Specification of the pulse cleaning systems

Unit Specification	Unit Specification
Pulse tank size 68.5□	Pulse valve
Manifolder size 40mm	Type Solenoid (normally closed)
Pulse nozzle size variable
Pulse nozzle shape straight	Orifice size 15mm
Convergent(1)	Flow coefficient 20□/s bar
Convergent(2)

Fig. 1. Detail of pulse cleaning system and convergent nozzle (1),(2).

결과 및 고찰

직관에서 노즐의 size별로 압력을 측정하기 위하여 동일한 압력(5,7bar)과 펄스 지속시간(0.2sec)을 가질때의 압력 생성 효과를 관찰했다. Fig. 2에서와 같이 지름이 커질수록 필터내의 Flow rate는 계속 증가함을 볼수 있다. 반면에  펄스 역세정시 압력 에너지가 운동에너지로 전환이 됨으로써 주변의 압력보다 낮은 압력이 형성되어 나타나는 동반류의 효과는 노즐 size가 증가함에 따라서 감소하는 것을 볼 수 있다. 최적노즐의 크기는 필터 내의 Bottom에서  overpressure의 형성를 측정함으로써 얻을 수 있는데 Fig. 3에서 보듯이 지름이 10mm이상일때는 압력생성 효과가 다소 둔화됨을 볼 수 있으며,  그 크기는 대략 10mm정도이다. 이러한 결과로부터 10mm의 노즐을 선택하여 세가지 경우 straight, convetgent(1), convergent(2) 3가지 경우의 압력분포를 확인해본 결과 Fig.4와 같이 convergent(2)의 경우가 필터 내의 압력이 다소 높게 나타남을 볼 수 있다. 또한 내부의 각도가 다소 차이가 나더라도 convergent노즐이 직관보다는 압력이 높게 나타났으며, 이는 직관 보다 convergent노즐이 압력 분사 직전의 벽근처에서 점성효과에 의한 부분적인 압력상승과 축소노즐의 경우 노즐 축소부에서 유체의 압축효과에 의하여 출구압력이 상승하는 효과가 직관에서 보다 크기 때문이다. 이러한 출구 압력은 역세정에 있어서 직접적인 영향을 미치고, 이러한 결과는 Ito 등의 실험과 잘 일치한다[2.3]. 그러나, 이러한 축소노즐의 경우 Fig. 5에서 볼수 있듯이 역세정 압력이 증가할수록 Convergent노즐이 필터 내부의 overpressure압력은 상승 시키지만 Top부근의 압력이 줄어들게 함을 관찰 할수 있다. 이것은 convergent 노즐의 유선이 중앙으로 모여서 top부분의 mixing효과가 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Fig. 5에서는 펄스 지속시간이 0.2sec인 것에 비하여 필터 내부의 압력은 0.5sec정도 지속됨을 관찰할 수 있다. 이것은 저장부로부터 분사된 유체가 매니폴더에 체류한 후에 노즐을 통하여 분출되기 때문에실제 펄스 지속시간보다 오랜 시간에 걸쳐 압력형성이 된다.

Fig.2. The effects of the nozzle                   Fig. 3. The effect of the nozzle diameter

diameter on the entrainment.                       on the Pulse effects at bottom.

Fig. 4. The effects of nozzle configulation           Fig. 5. Trace of the filter cavity top

on the overpressure in the filter cavity bottom        for 10mm when face velocity is            for 10mm when face velocity 2cm/sec.                2cm/sec

참고문헌

1. 최주홍 등, □IGCC용 고온 고압 벤취급 세라믹 필터 집진기 운전(Ⅰ)□, 전력   연구원, 1998.1.

2. S. Ito and T. Tanaka, "Pulse jet cleaning of porous ceramic filter          applied to coal gas cleaning -Effect of pulse duration time and nozzle      shape", CRIEPI report W91039.

3. 정재화, 정현일, □IGCC 제진장치용 역세정 노즐 내부유동의 전산해석□,           1997년도 대한환경공학회 추계학술연구발표회 논문초록집, 19977.