해염입자 및 미세먼지 제거용 에어필터의 특성 분석

박현설, 박석주, 김상도, 최호경, 임정환, 박영옥

한국에너지기술연구소 집진기술연구센터

An Experimental Study on Air Filters for Removal of Sea-salt and Fine Dust Particles

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

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서  론

에어필터(Air filter)는 높은 집진효율을 장점으로 각 종 산업공정의 비산먼지 제거, 실내 공기정화용 등으로 사용되어 왔다. 본 연구용으로 사용된 에어필터는 복합화력발전소의 터빈 유입공기 정화용으로 제작된 것이다. 해염입자를 포함한 발전소 부근 대기중의 미세먼지는 터빈 내부로 유입되었을 경우, 터빈 블레이드(Turbine blades)를 직접적으로 손상시키거나, 터빈의 성능을 저하시킨다. 이와 같은 해염 및 미세먼지로 인한 피해를 막기 위해 유입공기를 고효율로 정화시킬 수 있는 여과시스템이 요구되며, 그 핵심요소라 할 수 있는 에어필터에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 고용량의 유입공기를 정화할 수 있는 에어필터에 대한 성능 실험을 수행하여 여재의 재질, 구조에 따른 집진효율과 압력손실 특성을 분석하였다.

실험용 여재

실험에 사용된 여재는 국내 K사 제품 3종(K01, K02, K03), 일본 제품 1종(JVC), 미국산 제품 1종(H&V) 등 총 5 종으로, 모든 여재는 다층구조를 갖는다. 각 여재별 재질 및 구조적 특성을 표 1에 요약하였다.

표 1. 실험용 여재의 재질 및 구조적 특성

여재종류	구 조	재 질	제조방법	접합 방법
K01	1st layer	PP	Meltblown	Thermal bonding using PE Powder
	2nd layer	PET	Chemical bonded
K02	1st layer	PET	Spunbond	Ultrasonic bonding
	2nd layer	PP	Meltblown
	3rd layer	PET	Chemical bonded
K03	1st layer	PET	Spunbond	Ultrasonic bonding
	2nd layer	PP	Meltblown
	3rd layer	PET	Chemical bonded
JVC	1st layer	PP	Meltblown	Ultrasonic bonding
	2nd layer	PET	Chemical bonded
H&V		Glass fiber		Wet laid

실험 방법

각 여재의 집진효율을 측정하기 위한 실험장치는 그림 1과 같다. 우선 실험용 입자는 NaCl 입자와 화력발전소의 비산먼지를 사용하였고, NaCl은 1% NaCl 수용액을 분무시켜 발생하였으며, 비산먼지는 유동층 먼지발생기를 이용해 공급하였다. 사용된 NaCl의 GMD(Geometric Mean Diameter)는 0.8 □, 비산먼지는 1.4 □의 GMD를 각각 갖는다. 그림 1에서 보듯이 일단 발생된 입자는 Dryer(NaCl의 경우)를 거쳐 수분을 제거한 후, 대전된 입자를 중화시키기 위한  입자 중화기(Neutralizer)로 통과하게 된다. 이후 입자는 실험용 여재를 통과하게 되고 절대필터에 의해 모든 입자가 제거된 후 외부로 배출된다. 집진효율은 실험용 필터 전후에서 입자의 농도를 측정하고, 이를 바탕으로 계산되어진다. 1 micron 이하의 크기를 갖는 입자의 농도 측정은 입자의 전기적 이동도 차이를 이용해서 입자를 분리하고, 분리된 입자를 응축하여 크기를 증가시켜 광학적으로 측정하는 장비인 TSI사의 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)를 이용하였다. 또한 1 micron 보다 큰 입자의 농도는 TOF(Time of Flight) 원리를 이용한 TSI사의 APS(Aerodynamic Particle Sizer)를 사용하여 측정하였다. 실험용 여재의 크기는 직경이 약 50 mm 정도이고, 원판형으로 절단되어 사용되었으며, 실제 여과면적에 해당되는 크기는 직경기준으로 42 mm 이다.

그림 1. 실험장치의 개요도

결과 및 고찰

그림 2는 GMD 0.1 □의 NaCl 입자에 대한 입자 크기별 집진효율을 여과속도에 따라 나타낸 것이다. 그림 2의 (a)는 JVC 여재에 대한 것이며, (b)는 K01에 해당된다. 그림 2의 (a)의 경우에는 전형적인 여과 집진효율 곡선 형태를 유지하고 있다. 즉, 입자크기가 아주 작은 경우에는 입자의 브라운 확산(Brownian diffusion)에 의해 대부분의 입자가 제거되어 집진효율이 높게 나타나고, 큰 입자의 경우에는 입자의 관성충돌(Inertial impaction)과 직접 차단(Direct interception)에 의해 효율이 높게 나타남을 볼 수 있다. 약 0.1 ~ 0.3 □ 크기의 입자는 확산, 직접차단 및 관성력에 의한 효과가 상대적으로 작기 때문에 집진효율이 저하되는 현상이 나타난다. 여과속도에 따른 집진효율의 변화는 집진효율이 가장 낮은 입자크기(Most Penetration Particle Size, MPPS)를 전후로 하여 다른 양상을 보이는데, MPPS 보다 작은 크기의 입자에 대해서는 여과속도가 클수록 낮은 집진효율을 보이고, MPPS 보다 큰 입자에 대해서는 여과속도에 따라 집진효율도 상승하는 경향을 보이고 있다. 브라운 확산에 의한 입자의 제거효율은 입자가 필터내부에 머무르는 시간에 비례한다. 따라서 유속이 증가하였을 경우에는 확산에 의한 입자의 제거 가능성이 줄어들게 된다. 입자의 관성충돌과 직접차단 효과는 입자의 크기에 비례하며, 특히 관성충돌에 의한 입자 제거효율은 유속에 따라 증가하게 된다. 그림 2의 (a)는 이러한 특성과 함께 여과속도의 증가에 따라서 MPPS가 점점 작아지는 전형적인 여과 집진효율 특성이 잘 나타나 있다.

그림 2의 (b)에 해당되는 K01 여재는 여과속도가 작을 경우 집진효율이 매우 높게 나타났으나, 여과속도가 5 m/min인 경우에는 대부분의 영역에서 매우 낮은 집진효율을 볼 수 있다. 또한 여과속도가 7 m/min, 10 m/min인 경우에는 오히려 5 m/min인 경우에 비해 효율이 높은 특성을 보여주는데 이는 K01 여재의 구조적 특성에 기인한 것으로 판단된다. K01 여재는 2개의 층으로 이루어졌는데, 주 여과층인 첫 번째 여과층의 두께가 JVC여재의 주 여과층에 비해 매우 얇게 제조되어 있다. 따라서 유속이 어느 범위에 이르면 입자 제거효율이 급격히 감소하며, 유속이 계속해서 증가하면 오히려 관성충돌에 의한 입자의 제거효과가 커지기 때문에 다시 집진효율이 증가하는 것으로 판단된다. 그러나 이는 직관적인 판단일 뿐이며, 좀더 명확한 해석은 이에 관련한 구체적인 연구가 좀더 진행되어야 이루어질 것이다.

(a) JVC

(b) K01

그림 2. 실험용 여재 JVC, K01에 대한 NaCl 입자의 집진효율

그림 3은 여과속도는 1 m/min인 경우, GMD가 1.4 □인 화력발전소 비산먼지에 대한 각 여재의 집진효율을 나타낸다. 그림에서 보듯이 K01이 가장 높은 집진효율을 보이고 있으며, JVC, H&V, K03, K02의 순서로 그 효율이 감소하였다. K02의 집진효율이 특히 낮게 나타난 이유는 주 여과층으로 작용하는 두 번째 여과층이 상대적으로 매우 얇아서 입자의 제거효과가 미미한 것으로 판단된다. K02와 K03 여재를 세 개의 여과층으로 제조한 것은 K01과 JVC여재를 구성하고 있는 표면층의 강도가 약하여, 이를 외부의 충격으로부터 보호하려는 목적이었으나, 이로 인해 주 여과층의 두께가 상대적으로 얇아져서 집진효율이 저하되는 역효과를 낳게 되었다. 이러한 결과를 바탕으로 앞으로 연구는 다층구조를 갖는 여재에 대해 각 여과층의 두께에 따른 집진효율 특성에 대해 우선적으로 진행되어야 할 것이며, 최종적으로는 압력손실 특성까지도 포함한 다층구조 여재의 최적 설계에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다.

그림 3. 비산먼지에 대한 집진효율      그림 4. 실험용 여재의 압력손실

그림 4는 실험용 여재의 여과속도에 따른 압력손실 특성을 나타낸다. 모든 여재의 경우에 있어 압력손실이 상당이 낮게 나타나고 있다. 이는 고용량 유입공기 정화용으로 사용되기 위해서는 낮은 압력손실이 필수적이기 때문이다. 실제 복합화력발전소의 터빈 유입공기 정화용 여과시스템의 압력손실이 500 Pa 정도 증가할 경우, 1 % 정도의 출력 감소와 약 0.5 % 만큼 열효율을 저하시키는 것으로 보고되고 있다. 그림 4에서 보듯이 K02의 경우에 압력손실이 가장 낮게 나타나고 있다. 이에 대한 이유로는 앞서 언급했듯이 압력손실에 가장 큰 영향을 미치는 주 여과층의 두께가 얇기 때문이며, 이는 집진효율을 저하시키는 원인이 된다.

결  론

본 연구에서는 해염 입자와 미세먼지 입자를 제거하기 위해 다층구조 여재에 대한 집진효율 및 압력손실 특성을 실험을 통해 분석하였다. 국산 제품 3종과 외국제품 2종에 대해 비교실험을 실시하였으며, 여과속도 및 주 여과층의 두께에 따른 집진효율 변화 특성을 살펴보았다. 향후 다층구조 여재의 최적설계를 위해서는 지속적인 연구가 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

1. Lee, K. W. and B. Y. H. Liu, Experimental study of aerosol filtration by       fibrous filters. Aerosol Scil Technol., 1:35-46 (1982a)

2. Lee, K. W. and B. Y. H. Liu, Theoretical study of aerosol filtration by         fibrous filters. Aerosol Scil Technol., 1:47-61 (1982b)

3. Schroth T.,  Customized Filter Concepts for Intake Air Filtration in Gas       Turbines and Turbocompressors, 3rd Filter Colloquium "Progress and         Development Trends in Gas Purification with Filtering Separators",            Karlsruhe University, March 16. (1993)