석탄화력 발전소 비산재의 입도 분리와 여과 압력손실 특성

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol.8, No.1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

최주홍, 하순종, 이정란, 금상명*, 박영옥*

경상대학교 화학공학과/공학연구원, *한국에너지기술연구원

Particle Size Classification and Pressure Drop Characteristics of Fly Ashes  from Coal Power Plant

Joo-Hong Choi, Soon-Jong Ha, Jung-Ran Lee, Sang-Meung Gum*, Young-Ok Park*

Dept. of Chem. Eng. and Eng. Resear. Institute, Gyeongsang National University

*Dept. Environ. Research, Korea Institute of Energy Research

서론

고급 에너지 및 청정 에너지를 생산하기 위하여 많은 에너지원이 활용되고 있지만 석탄, 석유 및 가스를 주로 하는 화석연료는 가장 많이 활용되고 있으며 이로부터 분진발생이 엄청나다. 차 새대 에너지 활용의 과제가 경제적이면서 에너지 효율향상과 청정 에너지 생산을 동시에 실현하여야 하는 관점에서 볼 때 에너지원의 효율적인 전환, 시스템 구성요소의 내구성 향상, 공해물질의 완벽한 제거, 그리고 에너지 활용의 최적화가 필수적이다. 이러한 과제를 충족하기 위해서는 에너지 전환과정에서 발생되는 분진을 고온에서 초정밀 효율로 제거하여야 하며 이를 위하여 필터 집진기의 활용이 권장되고 있다.

필터 집진에 있어서는 낮은 압력손실과 높은 집진효율을 달성하는 것이 중요한 과제다. 세라믹 및 금속 필터 그리고 여과포 등을 사용하는 필터 집진기를 연속적으로 운전할 때 집진 시에 형성되는 분진 케이크의 특성은 집진성능과 필터 세척특성을 좌우한다. 집진 중에 형성되는 분진 케이크의 성질은 필터, 운전조건( 주로 여과속도, 온도, 압력, 필터 세정 법) 그리고 분진과 가스 특성에 의존한다1.2). 여과속도가 클수록 대부분의 분진은 큰 운동에너지를 가지기 때문에 분진 입자들이 필터 내부로 침투하기 쉬우므로 필터 표면이 쉽게 막힌다. 그리고 포집된 입자들이 압축되어 더욱 더 조밀한 분진 케이크를 형성하며 기공이 감소하는 동시에 압력손실이 증가된다. 가스의 온도와 압력이 집진에 미치는 영향은 가스의 점도와 밀도 변화 그리고 고온 반응성에 기인된다. 가스의 점도는 온도에 따라 증가하고 밀도는 감소하기 때문에 온도의 상승은 압력손실을 증가시키는 요인이 된다. 분진이 집진성능에 미치는 인자로는 사이즈, 형상, 밀도, 그리고 성분 등이 있다. 분진의 결합력은 주로 Van der waals 력에 기인되며 분진의 입자 사이즈가 작을수록 표면적이 커기 때문에 결합력이 증가되고 그 분진 케이크의 기공 사이즈가 감소하는 경향을 보인다. 그리고 큰 입자와 작은 입자가 혼합하여 분진 케이크를 형성할 때 동일한 사이즈의 입자들의 경우보다 보다 기공도가 감소한다. 분진층의 기공도는 분진이 쌓이는 배열에 따라 다르다. 그러나 집진에서 다루는 일반적인 분진 시료의 입도는 다양한 사이즈의 혼합으로 구성되어 있기 때문에 압력손실 특성을 정확하게 예견하기가 매우 어렵다.

석탄화력 발전소의 fly ash는 탄종과 연소조건에 따라서 많은 차이를 보인다. 특히 회용융이 일어나지 않는 유동층 보일러 비산재에는 미연 탄소가 많이 포함된 부정형의 입자들로 구성되어 있으며 그 집진 특성이 일반 보일러에서 배출된 비산재의 경우와 다르다. 각종 발생원에서 배출되는 분진을 필터로 포집할 경우 입자 사이즈와 형상에 따른 그 집진특성을 관찰하여 운전조건을 결정하는 자료가 필요가 있다. 분진 특성에 따른 분진 케이크를 통한 압력손실 특성에 대한 이론식이 여러 연구자들3,4)에 의하여 제시되었지만 이들 식을 검정할 수 있는 실제적인 실험결과는 많지 않다. 이는 이론식을 검정하기 위한 균일한 분진 시료를 얻기가 어렵기 때문이다. 본 연구에서는 균일한 입도와 서로 다른 형상의 분진 시료를 얻기 위하여 기존의 분무 연소식 화력발전소와 유동층연소 화력발전소에서 배출되는 비산회의 포집 특성을 조사하기 위하여 분진 케이크를 통한 압력손실 특성을 조사하였다.

본론

1. 실험

작은 사이즈의 분진을 선택적으로 제조하기가 어렵지만 미립자를 정량적으로 공급하기도 어렵다. 이를 극복하기 위하여 Fig.1은 유동화 칼럼에서 침전속도가 유동화 속도보다 낮은 입자를 비산시켜서 작은 입자를 선택적으로 취하는 방법으로 필요한 사이즈의 분진을 제조하여 분진 케이크의 압력손실 특성을 실험할 수 있는 장치다. 이 장치에서 사이즈가 다른 여러 종류의 분진을 제조하기 위하여 유동층 칼럼에 일정량의 분진을 주입한 후 저속에서 생성되는 분진의 실험을 수행한 후에 충분한(약 2시간) 시간동안 잔류입자들을 제거한 후에 다시 점차적으로 유속을 증가시켜서 큰 입자의 실험분진을 제조하였다. 유동층 칼럼에서 비산하여 배출되는 분진의 일부분을 진공펌프를 사용하여 취하여 실험칼럼에서 분진의 압력손실 특성이 시험되었다. Gelman Sci.의 원판형 유리섬유 필터( A/B 66209, 직경 47mm)를 필터 지지체가 있는 필터 홀더에 설치하여  분진 케이크를 형성하였으며 이를 통한 압력손실은 실험칼럼과 여과기 배출부의 압력차로 측정되어 시간에 따라서 기록되었다. 필터의 유효 집진면적은 12.56 cm2이다. 필터 후반부에 질량조절기를 설치하여 필터를 통한 압력손실이 증가되더라도 여과속도가 균일하게 유지되었다.    특성이 다른 실험분진을 시험하기 위하여 삼천포 화력발전소 비산회(PC ash)와 동해화력 유동층 보일러 비산회(FBC ash)가 사용되었다.

DPT: Differential P transmitter, F/B: Fluidized bed, F/H: Filter holder, MFC: Mass flow controller.

Fig. 1. Schematics of experimental set up for the test of dust cake formation.

2. 결과 및 토의

Fig. 2와 Fig. 3은 각각 PC ash와 FBC ash가 유동층 칼럼의 유동속도가 0.07, 0.13, 그리고 0.17m/sec에서 비산되는 분진의 입도분포를 나타낸다. 분진의 입도는 실험후에 필터에 포집된 것을 Malvern Instrument의 Mastersizer로 분석한 것이다. 유동화 속도에 따라서 PC ash는 비교적 명확하게 입도가 분리되지만 FBC ash의 경우는 고속의 큰 입자에서 분리가 명확하지 않다. 이는 포집된 분진의 엉김에 의한 것으로 생각된다. 이를 방지하기 위하여 실시간의 입도분석이 필요하다. PC ash는 고온에서 용융이 일어나서 대개 구형의 입자로 구성되었고 FBC ash는 각형의 분진으로 구성되며 탄소 함량이 20% 이상을 보였다.

필터 집진 시에 형성되는 압력손실은 세 부분으로 나눌 수 있다. 즉 필터자체에 의해 형성되는 압력 손실, 잔류층에 의해 형성되는 압력 손실, 그리고 임시층에 의해 형성되는 압력 손실로 나눌 수 있다. 분진층을 통한 압력손실(□PC)는  전층에 대하여 층류의 유로 모델을 적용한 Hagen-Poiseille 식의 개량식인 Kozeny - Camrman을 적용한 식(1)에 잘 맞는다. 여기서 □는 동점도(cm2/sec) 이고 vF는 여과속도(cm/sec)이다. 분진층의 두께 [eqn: L]은 식 (2)로 나타낼 수 있다.

□PC = [eqn: 5{ { (1- epsilon ) ^{2 }} over { epsilon }^{3 }}{ S}_{v } }^{2 } L mu {v}_{F}]                        (1)

L = [eqn: { W} over { { rho }_{s }(1- epsilon ) } = { c {v}_{F} t} over { { rho }_{ s} (1- epsilon ) }]                     (2)

이상의 관계식을 이용하면 (3)와 같이 정의되는 filter drag(S)는 면적분진량(W)에 대하여 1차식을 나타낸다. 여기서 식(4)나 식(5)로 표시되는 집진저항 상수(K2)가 집진에 있어서 분진의 특성치를 나타내며 분진의 사이즈, 밀도, 형상계수 등의 함수이다.즉  이 값은 분진층의 공극률이 클수록, 분진의 밀도와 입자가 클수록 그리고 형상계수가 클수록 작아지며 집진기의 압력손실이 줄어진다.

(3)

(4)

(5)

실제로 동일한 입자 사이즈의 분진이라도 분진층의 공극률은 분진의 비표적과 형상계수에 따라서 상반적인 영향을 미치면서 변화하기 때문에 정확한 예측이 어렵다. 일반적으로 충진층의 공극률은 구형입자가 원통형 입자보다 큰 값을 나타낸다. 실제 산업공정의 집진에서 다루는 분진은 다양한 모양과 사이즈 그리고 성분이 복합적으로 구성되어 있기 때문에 그 집진성능을 이론적으로 규명하기는 매우 어렵고 경우별로 실험자료가 중요하다. PC ash의 경우 SEM 사진에서 보면 대부분이 구형을 나타내는데 이는 5% 미만으로 존재되는 미연탄을 빼면 대부분의 회가 용융되어서 구형을 이루는 것으로 보인다. 반면에 FBC 회의 경우 연소온도가 800℃ 전후로써 회용융이 진행되지 않으며 미연탄소분이 많이존재하기 때문에 부정형을 나타낸다. 이는 분쇄된 석탄원료와 비슷하며 이 경우 형상계수가 0.73이다1). 본 연구의 전반적인 결과로써 FBC 회의 압력손실이 동일한 조건에서 PC 회의 경우보다 높계 나타났다. 그러나 식(5)에서 보인 것처럼 K2 값이 정확하게 형상계수의 자승에 반비례하는 지는 불명확했다.

결론

여과 집진기를 운전할 때 입자의 밀도, 사이즈, 형상계수 등의 분진 특성이 그 성능에 많은 영향을 미치지만 배기가스 및 공정가스와 같이 복합물질로 구성된 분진을 사용할 경우 단일 시료를 구하기 어려워서 그 특성실험을 하기가 어렵다. 따라서 복합시료의 분진 사이즈를 분류하기 위하여 유동층 칼럼의 유동화속도 변화를 이용하여 석탄회의 분리를 조사하여 분리특성을 보았다. 상기 유동층 칼럼으로 비산회의 분리가 비교적 용이하게 이루어졌다. 그리고 형상계수가 낮은 FBC 회를 통한 압력손실이 PC 회의 경우보다 높게 측정되었다.

참고문헌

1. Perry, R.H. and Green, D.W., Perry's Chem. Engineers' Handbook, 6th ed., 5-54 (1973).

2. Silva, C.R.N., Nerrini, V.S., Aguiar, M.L., Coury, J.R., Influence of gas velocity on

cake formation and detachment, Powder Technology, 101, 165 (1999).

3. Ergun, S., Fluid flow through packed columns, Chem. Eng. Prog., 48(2), 89 (1952).

4. Aguiar, M.L. and Coury, J.R., Cake formation in fabric filtration of gases, Ind. Eng.

Chem. Res. 35, 3673 (1996).

감사

본 연구는 에너지관리공단에서 지원하는 연구비로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년