VDI 3926을 이용한 미세다공질 표면층 필터의 성능평가

최호경, 박석주, 임정환, 김상도, 박현설, 박영옥

한국에너지기술연구원 집진기술연구센터

Performance Evaluation of Porous Media Coated Fabric Filter

by VDI 3926

H. K. Choi, S. J. Park, J. H. Lim, S. D. Kim, H. S. Park. Y. O. Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서  론

본 연구에서는 산업용 필터의 성능평가를 위해 도입된 시험 형식인 VDI (Verein Deuscher Ingenieure: The Association of Engineers) 3926을 이용해 표면여과용 필터인 미세다공질 표면층 필터의 성능을 평가하였다. VDI 3926은 기존 공조용 필터 시험방식과는 달리 탈진성능을 포함한 산업용 필터의 기초 성능을 평가할 수 있도록 고안된 시험방식이다1).

미세다공질 표면층 필터는 필터의 표면여과 효과를 극대화시키기 위해 섬유필터 표면에 미세다공질 수지를 얇게 접합시킨 필터로서, 현재 film laminating법과 foam coating법에 의해 제조된 제품이 주종을 이루고 있다.

Film laminating에 의해 제조된 필터는 표면층이 매우 얇고 공극이 미세하여 표면여과 효과가 우수한 반면 마모에 취약한 단점이 있다. 한편, foam coating에 의해 제조된 필터는 마모에는 강한 반면 상대적으로 공극이 커 집진효율이 다소 저하되는 단점이 있다. 또한, 두 제품 모두 재질의 특성상 250℃ 이상의 조건에 적용하는데 한계가 있다2).

따라서, 본 연구센터에서는 표면여과 효과를 극대화시키면서 마모 및 고온조건에 견딜 수 있는 미세다공질 표면층 필터를 개발하기 위한 연구의 일환으로 고온조건에서 견딜 수 있는 재질의 다공성 수지를 필터 표면에 coating하는 기술을 개발하여 시제품을 제조하고 이의 성능을 평가하였다.

실험장치

필터의 성능 실험에는 CFM(Cleanable Filter Media) test unit을 사용하였다. 실험장치의 전체적인 공정 구성을 [그림 1]에 나타내었다. 본 장치는 VDI 3926 시험규격에 적합하도록 설계 및 제작된 장치로서, 고온조건 실험 및 탈진조건 적용 실험이 모두 가능하다. 본 장치는 여과성능 및 탈진성능을 규명하기 위한 장치 본체부분, 압축공기를 이용해 시험용 먼지를 공급 및 분산시키기 위한 먼지공급 및 분산부분, 고온조건 실험을 위한 처리기체 가열부, 일정한 처리기체 유량유지를

<표 >  CFM test unit의 제원

용량(MAX)	0.1□/min
온도(MAX)	500℃
여과면적	0.013□
탈진방식	pulse jet cleaning

위한 처리기체 흡인부, 필터의 먼지를 떨어내기 위한 탈진부, 그리고 처리기체의 각종 물리량과 필터 전후의 먼지상태를 검출하기 위한 검출부 및 자료처리부로 구성되어 있다. CFM test unit의 개략적인 제원을 <표 1>에 나타내었다.

[그림 ]  Cleanable filter media test unit

실험방법

실험은 표면에 다공질 표면층이 접합된 필터의 압력손실 및 집진효율 등을 주기적인 탈진을 부여하는 운전조건에서 측정하여 성능결과를 비교하는 것이다. 탈진조작을 100회 수행할 때까지 실험을 진행하며, 정해진 순번의 탈진조작 직후 필터를 통과한 먼지를 측정한다. 먼지의 개수 및 농도의 측정에는 APS(Model 3320, TSI Inc.)를 이용하였다. 실험용 필터로는 국산 2종 및 외산 2종의 다공질 표면층 필터를 사용하였다. 실험용 먼지로는 flyash를 사용하였다. 성능평가에 적용된 실험조건을 <표 2>에 나타내었다.

압력손실 변화특성

[그림 2]는 동일조건에서 실험한 각 필터의 탈진 직후 압력손실, 즉 잔류압력손실 변화경향을 나타낸다. 그림에서 4가지 종류의 필터 모두 집진 및 탈진조작이 진행되면서 잔류압력손실이 점차 증가하는 경향을 나타낸다. 이것은 집진조작이 반복되면서 미세먼지 입자가 탈진조작에 의해 떨어지지 않고 필터 내부 또는 표면에 잔류하면서 필터의 공극을 막기 때문이다. 이러한 잔류압력손실의 상승 경향은 두 가지 외산 필터에서 두드러지게 나타난다. 특히 외산 필터의 경우 다공질 표면층의 구조가 치밀하여

<표 >  실험조건

필터	A-외산(PTFE laminating) B-외산(Acryl coating) C-국산(PTFE coating) D-국산(Ceramic coating)
실험용 먼지	flyash (MMD=4.8□, □=2.2g/□)
여과속도	3m/min
입구먼지농도	10g/□
여과면적	0.013□
적용온도	대기온도
탈진회수	100
탈진시기	□Pfilter = 100□H2O
탈진공기압력	5□/□
탈진시간	50msec

초기압력손실이 높으며, 이로 인해 전체적인 잔류압력손실도 높게 나타난다.

C의 경우 압력손실의 상승이 매우 급격하여 총 실험시간이 가장 짧게 소요되었는데, 이것은 표면층의 구조가 적절하지 못해 먼지가 표면의 공극을 쉽게 막아버리기 때문이다.

본 연구에서 개발한 D필터의 경우 잔류압력손실도 낮고 탈진간격도 넓어 매우 우수한 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.

집진효율 변화특성

[그림 3]은 각 여과포의 탈진회수 증가에 따른 부분집진효율 변화로서, 대표적으로 20회 탈진직후와 100회 탈진 직후의 먼지 크기에 따른 필터 집진효율을 나타낸다.  20회 탈진 후의 부분집진효율은 직경 1□ 정도와 4∼5□ 정도의 먼지에 대해 낮은 값을 나타낸다. 특히, B필터의 경우는 직경이 4∼5□ 정도인 먼지에 대한 효율 저하가 두드러진다. 직경이 1□인 먼지에 대한 효율이 떨어지는 이유는 확산에 의한 포집기작과 충돌 및 차단에 의한 포집기작이 모두 취약한 영역이기 때문이지만, 직경이 4∼5□ 정도인 먼지의 포집효율이 낮게 나타나는 이유는 대부분 먼지의 불어나감에 의한 것이다. 시험용 먼지의 특성상 대부분의 먼지가 4∼5□ 부근의 입경을 가지므로 그 입경 부근 먼지의 통과가 두드러지게 나타난다. 그러나 집진조작이 거듭되면서 잔류먼지층이 충분히 형성되면 100회 탈진 직후의 부분집진효율 결과에서와 같이 이러한 불어나감 현상이 줄어들게 된다. 네 가지 필터를 비교해 보면 A필터가 가장 높은 효율을 나타내며, D필터도 그에 못지 않은 좋은 성능을 나타냄을 알 수 있다.

[그림 ]  잔류압력손실의 변화특성

이상의 결과는 상온조건에서의 집진 및 탈진특성이며 고온특성 및 기계적 특성에 대한 추후의 고찰이 필요하다.

(a) 20회 탈진직후	(b) 100회 탈진직후
[그림 3] 부분집진효율 변화특성

결  론

본 연구에서는 산업용 필터의 성능평가를 위해 도입된 시험 형식인 VDI 3926을 이용해 표면여과용 필터인 미세다공질 표면층 필터의 성능을 평가하였으며,  이상의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.  본 연구에서 개발한 다공질 표면층 필터(ceramic coating)는 실험기간중 잔류압력손실이 10□H2O 미만으로 낮게 유지되었으며, 모든 먼지에 대해 99.9% 이상의 높은 집진효율을 나타내는 등 매우 우수한 성능결과를 나타내었다.

2.  Coating기술이 적용된 표면층 필터의 성능 검증을 통해 보다 높은 온도에 견딜 수 있는 내열성 재질의 표면층 적용 가능성을 확인하였다.

참고문헌

1. VDI, Prufung von Filtermedien fur Abreinigungsfilter, 1994.

2. 한국에너지기술연구소, "고효율 먼지하전 박막여과포 집진장치 개발" 1999.