소결 금속 필터의 여과 성능 특성

서정민, 김상도, 손재익, 박영옥, 이봉희*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

충북대학교 화학공학과*

Filtration Performance of Sintered Metal Filter

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

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.

최근 선진국에서는 stainless steel, Inconel, Hastelloy 등의 재료를 이용한 금속 fiber 필터에 대한 연구가 진행되어 일부 제품은 상용화되어 산업체에 적용되고 있는 실정이다.  국내에서도 금속 fiber filter에 대한 제조는 연구되었지만 이에 대한 산업체 적용 가능성에 대한 성능 특성이 이루어지지 않고 있다.

본 연구에서는 물리적인 특성을 알아보고, 각각에 대한 여과 성능 특성을 평가, 비교하여 보고자 한다.1)-2)

금속 Fiber의 특성

Table. 1 Stainless steel fiber와 일반섬유와의 비교.

	stainless steel fiber	유리섬유	양모	나일론	폴리에스텔
비중(g/□) tensile strength (kg/□) 연실율(%) 내열성	7.98 106-140 1.0-2.0 425℃에서 10%강도저하	2.5 15 0.9 343℃에서 50%강도저하	1.32 8-13 0.9-1.4 130℃에서 열분해	1.14 35-49 4.3-6.0 215℃부터 용융	1.38 37-43 3.8-4.0 255℃부터 연소

금속 fiber로서 가장 많은 수요를 가지고 있는 stainless steel fiber와 기타 fiber로 사용되고 있는 섬유와의 성질을 비교하여 Table. 1에 나타내었다.  stainless steel fiber의 경우 다른 섬유에 비해 강도가 높고 늘어남이 작은 것이 장점이다. 또한 내열성이 우수하여 다른 재질의 섬유에 비해 높은 온도인 600℃ 정도까지 사용이 가능하다.

실험

가. 실험용 소결 금속 필터

소결 금속 필터는 stainless steel fiber로부터 소결과 압축공정을 거쳐 제조되는데, 본 실험에서는 일본의 Seisen사에서 개발된 NASLON이라 명명한 3종류의 소결 금속 필터(Filter rating 2.9□, 4.5□, 7.0□)와 벨기에의 Bekaert사에서 개발된 Bekipor 4종류(7CL4, 10CL4, 3AL3, 5CL4) 및 국내의 K사에서 개발된 4종류 필터(KKL-1, KKL-2 KKL-3, KKL-4)를 사용하였다.  대표적인 필터의 표면을 500배 확대한 SEM사진을 Fig. 1에 나타내었다.  세가지 형상을 비교하여 보았을 때, 국내 K사에서 제조한 필터의 표면이 매끄럽지 않은 것으로 나타났는데, 이는 K사에서 제조한 필터에 대한 소결이 완전하게 이루어지지 못한 것으로 판단되어진다.

나. 실험방법

소결 금속 필터의 여과성능 실험을 수행하기 위하여 Flat Sheet Type 기초실험장치를 사용하였고, 장치의 공정도를 Fig. 2에 나타내었다.  장치의 용량은 최대 0.45m3/min, 여과면적은 0.04m2(200mm×200mm) 이다.

본 실험에 적용한 여과속도는 1-5m/min이고 압력손실을 측정하였다.

(a) 국내 K사                      (b) 일본 Seisen사

(c) 벨기에 Bekaert사

Fig. 1 소결 금속 필터의 표면 형상.

Fig. 2 Flat sheet type 기초실험장치 공정도.

결과 및 고찰

Fig. 3 국내산 filter의 자체 압력손실.

Fig. 4 일본 Seisen사 filter의 자체 압력손실.

Fig. 5 벨기에 Bekaert사 filter의 자체 압력손실.

국내 K사 filter의 자체 압력손실을 여과속도 변화에 따라 실험한 결과를 Fig. 3에 나타내었다.  filter는 4종류(KKL-1, KKL-2, KKL-3, KKL-4)를 적용하였다.  압력손실은 여과속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였고, 그 중 KKL-3의 압력손실이 가장 높고, 기울기가 심하므로 pore size가 가장 작다는 것을 알 수 있다.  Fig. 4과 Fig. 5에서 보듯이 국내산 filter의 자체 압력손실이 가장 낮은 것을 알 수 있다.  Fig. 4은 일본 Seisen사 filter의 자체 압력손실을 실험한 것으로 3종(pore size 2.9□, 4.5□, 7.0□)의 filter를 적용하였다.  유량이 증가함에 따라 증가하였고, pore size가 감소함에 따라 압력손실이 증가하였다.  Fig. 5은 벨기에의 Bekaert사 filter의 자체 압력손실을 실험한 것으로 fiter 4종(3AL3, 5CL4, 7CL4, 10CL4)의 자체 압력손실을 측정한 것이다.  실험결과로 보아 fiter 종류의 앞 숫자는 pore size와 연관된 것으로 숫자가 커질수록 pore size는 커짐을 의미한다.  따라서, pore size가 가장 큰 경우인 10CL4의 압력손실이 가장 적게 나타났고 pore size가 가장 작은 경우인 3AL3의 압력손실이 가장 큰 것으로 나타났다.  또, 3AL3는 다른 filter와는 달리 유속의 증가에 따른 압력손실 변화가 아주 급격히 증가한 것을 볼 수 있고 압력손실이 다른 2개사의 fiter 보다  가장 높다는 것을 알 수 있다.

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. □Perfectig an Ideal Filter Medium", Metal Powder Report, vol. 46, pp. 19-20, 1991