분진 케이크를 통한 압력 손실에 영향을 미치는 인자

안 정 준, 최 주 홍

경상대학교 공과대학 화학공학과

The factors influencing pressure drop through a dust cake

J. J. Ahn, J. H. Choi

Dep. of Chemical Eng. Gyeongsang National University

서론

여과공정 동안 형성된 분진 케이크의 성질은 주로 여과 속도, 필터매체, 가스 온도 그리고 분진 특성에 의존한다[1]. 다른 특성을 가지는 분진은 다른 성질의 분진 케이크를 형성하여 집진시 압력손실에 영향을 미친다. Particle의 특성으로는 입자 사이즈의 분포, 형상, 밀도, 화학적인 반응성, 기공도, 구성 성분의 조성등이 있다[2]. 입자 사이즈 분포와 구성 성분의 조성은 입자들 사이의 vander waalse force에 영향을 미치고 입자의 점착성 형성에 관여한다[3]. 입자의 형상에 따른 영향으로써 일반적으로 부정형 입자는 구형 입자보다 기공도가 큰 분진 케이크를 형성한다[4]. 분진의 형상이 여과 집진기의 성능에 많은 영향을 미칠 것으로 예상되나 이에 대한 체계적인 연구결과는 얻기 힘들다. 더구나 실제 산업공정에서 고온에서의 운전결과에 대한 보고를 찾을 수가 없었다. 따라서 본 실험에서는 분진의 형상이 세라믹 필터운전에 미치는 영향을 보기 위해서 구형 입자로 형성된 석탄 화력 PC 보일러의 fly ash와 부정형 입자를 많이 갖는 FBC 보일러의 fly ash를 사용하여 필터의 분진 케이크에 걸리는 압력 손실 특성을 실험적으로 관찰하였다.  일반적으로 필터에 부착되어 형성된 분진 케이크에 의해 생기는 압력 손실 속도(rc)는 아래의 식에 의해 표현되는 Lippert 법칙에 의해서 잘 설명되어 진다[5].

[eqn: r_c ={d DELTA P_c}over{dt} ={ eta CDOT rho _g CDOT X CDOT V^2}over{K_c CDOT rho_c}]

여기서

□   =Dynamic viscosity of the gas

V   =Face velocity

X   =Solid mass loadings

□g  =Gas density

Kc   = Dust cake permeability per meter

□c  = Dust cake density

이다. 이 식에서 □·□g·□c  가 일정한 조건에서 분진층을 통한 압력손실 속도는 분진부하와 여과속도의 제곱에 각각 비례한다.

실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 본 실험에 사용된 실험장치의 개략도를 나타낸 것이다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental unit for ceramic candle filter

항온 항습실에 있는 스크루 피드로 일정량의 dust를 주입하고 진공 펌프에 연결되어 있는 MFC로 유량을 조절하여 다양한 여과 속도에서 실험을  수행 하였다. 그리고 상부에 연결되어 있는 펄스 탱크로부터 순간적인 펄스를 이용하여 압축공기를  주입하여 분진을 탈착 시켰다. 오염부와 청정부의 차압을 측정하기 위하여 differential pressure transmitter를 설치하였다. 실험에 사용된 필터는 US Filter사의 Dia-schumalith 20T를 길이 10cm로 짤라 사용했다.

본 실험은 입자 모양, 즉 구형과 부정형 그리고 여과 속도의 변화와 온도의 변화에 따른 압력 손실을 알아 보았다.  분진 형상의 영향을 알아보기 위해서 동해화력의 FBC 보일러의 fly ash와 삼천포 화력의 PC 보일러의 fly ash를 사용하여 그 집진 특성을 비교하였다.

Table. 1은 본 실험에 사용된 fly ash들의 특성을 나타낸 것이다. 비슷한 입경을

Table. 1 Characteristics of fly ash from the PC boiler and fluidized bed                 combustor

Property	Test method	PC(Samchonpo)	FBC(Donghae)
Mean particle size (□m)	Aerodynamic particle analyser	8.5	8.5
True density	Re Sattlier	2.063	2.439
Bulk density		0.932	0.849
Porosity, □		0.548	0.652
Specific surface area (m2/g)	BET	5.48	48.43
Morphology	SEM	Spherical	Random

가지면서 다른 형상을 가지는 분진을 사용하여 이 분진들의 특성을 비교해 보았다. FBC 분진의 경우 충전기공과 표면적이 큰 값을 보이는 데 이는 비구형의 미분탄을 다량으로 함유되어 있기 때문이다. 실제로 삼천포 ash에는 4.8%의 미분탄이 함유되어있고 동해 ash에는 16.4%의 미분탄이 함유되어 있었다.

Fig. 2는 SEM사진으로 나타낸 fly ash의 모양을 나타낸 것이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 일반적으로 PC보일러에서 연소된 것은 spherical 형태를 나타내고 유동층에서 연소한 것은 irregular 형태를 나타낸다.

(a)                                   (b)

Fig. 2. Fly ash shape (a: 삼천포 화력 발전소, b: 동해 화력 발전소)

결과 및 토론

Fig, 3은 원통형 filter에 대한 온도와 여과속도의 변화에 따른 차압을 살펴 본 것이다. 순수 필터의 압력 손실은 Darcy 법칙에서 예상하는 바와 같이 여과 속도에 따라 비례하여 증가하였다. 그리고 온도가 높을 때 높은 압력 손실을 보이는 것은 고온에서 기체의 점도가 증가하기 때문이다. Fig. 4는 온도와 여과속도의 변화에 따른 rc의 변화를 조사한 것으로써 Lippert의 법칙에 잘 부합되었다. rc값은 온도에 따라서 큰 변호를 보이지 않는 것으로 판단되지만 800℃에서는 낮은 값을 보였다. 이와 같이 고온에서 fly ash 분진층을 통한 압력 손실 속도가 감소하는 이유는 fly ash에 포함된 작은 입자의 미연탄소가 고온에서 연소하여 없어지기면서 실제 분진의 입자 사이즈가 증가되기 때문에 좀더 기공성이 높은 분진층이 형성되기 때문으로 보인다[1]. Fig. 5는 입자의 형상 영향을 조사하기 위하여 PC fly ash와 FBC fly ash의 rc값을 조사한 것인데 500℃와 800℃에서 모두 FBC fly ash의  rc값이 작은 것을 볼 수 있다. 따라서 부정형 입자를 갖는 FBC 분진은 필터 표면에서 통기성이 좋은 분진 케이크를 형성하는 것으로 생각된다.

Fig. 3. Filter pressure drop for the    Fig. 4. Effect of temperature on the

various face velocities.               pressure drop rate.( PC fly ash )

Fig. 5. Effect of the particulate shape on the pressure drop rate at

the various temperatures and face velocities.

참고문헌

[1]. Stefan Berbner, Torsten Pilz. Powder Technology 86 (1996) pp 103-111

[2]. Richard Dennis. Journal of the Air Pollution Control Association Vol.24        (1974)

[3]. John P. Hurley, Jan W. Nowok, Tina M. Strobel, Cathy A. O'keefe, Jay       A. Bieber, Bruce A. Dockter "Rates and mechanism of strength               development in low-temperature of deposits" (1995)

[4]. Yu-Hsiang Cheng and Chuen-Jinn Tsai. Aerosol Science and Technology      (1998)

[5]. Laux, S., et al., (1987), CRIEPI Report No. W86025