[논문]충격식 코로나 방전 플라즈마를 이용한 배연가스로부터 먼지제거에 대한 특성

김은호

doi:10.5322/jes.2003.12.12.1261

문제 정의

제거된다. 본 연구에서는 배기가스에 포함된 SO와 NOx의 농도변화에 따른 미스트 제거율 변화를 조사하였다. 충격식 코로나방전에 의해 인가된 에너지에 의해서 。2, N₂와 HzO 등이部 높은 에너지를 갖는 라디칼로 바뀌고 플라즈마 반응기를 통과하면서 SO₂와 NOx 와 반응한 후에 수증기와 결합됨으로서 미세입자가 상호응집되어 미스트가 제거된다@
입자들은 여러 공정을 거치는 동안 다양한 교환작용에 의해서 변화되므로 미세한 입자를 제어하는 과정의 효율을 정확하게 측정하기란 쉽지 않다”. 본 연구에서는 플라즈마 장치에서 미세한 입자 제거효율을 평가하기 위한 새로운 모델개발과 운전특성 조사를 위해서 입자분포 경의 변화를 측정하는 분체공학적인 실험을 수행하였다. 실험의 조건은 플라즈마 방전시간, 가스속도, 가스온도 등이며 본 연구에서는 이들 변화에 따른 영향을 조사하였다.
충격식 코로나 방전 플라즈마 장치에서 공급되는 변화에 가스의 SOx 및 NOx 농도변화와 운전조건따른 먼지제거율을 조사한 본 연구에서는 다음과 같은 결론이 도출되었다. 운전시간의 증가에 따라서 포집 부에서 탈진된 미스트의 분석과정에서 나타난 입경 분포도를 분석한 결과 플라즈마 반응에 따라서 미세한 입자의 점착력이 증가함으로서 포집 부에서 분석된 입경분포 중 큰 입자로 분포하는 량이 증가하였다.

제안 방법

따라서, 배연가스에 함유된 NOx와 SCX의 성분이 미세한 입자상 물질의 제거에 미치는 영향을 조사하기 위해서 가스분석기(모델명 : France Seres) 로 배연가스내 NOx와 SOx의 함유량을 분석하였고, 배기가스내 함유된 NOx와 SOx의 농도가 미스트의 제거에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구의 실험변수와 충격식 코로나방전 실험장치의 운전조건은 Table 1과 같다.
배연가스에 함유된 SOxMX의 혼합상태에 따른 입자 변화를 조사하기 위해서 B화력발전소 배연가스 중에 SO₂와 NOx 농도가 상대적으로 최대치인 경우에서 실험을 수행하였으며 이때의 레이저회절장치의 분석조건은 3bar, 렌즈의 초점거리 100mm이었다.
실험장치내에 배기가스가 주입되기 전/후의 온도, 압력 및 유량, 충격 코로나 전압, 전류 등의 특성 변화에 따른 미스트 제거율을 포집부에서 미스트의 입경 크기를 측정하여 나타난 분포곡선의 변화로 분석하였다. 본 연구에서 플라즈마를 발생시키는 충격식 발생장치는 회로 내에 방전자를 설치하고 방전자 내부의 전압 차를 이용하여 최저 10~35kV, 최고 50〜80kV로 조정이 가능하고, 파장이 200~500nsec, 주파수가 0.5〜2.3kHz의 범위로 조절이 가능하도록 제작되었다. 충격식 발생 장치를 이용하여 반응장치 내벽으로 양전위 충격전압 (Positive Impulse Voltage)을 공급해 줌으로써 방전이 발생되게 하였으며 이때 최고 전압은 80kV에 이른다.
본 연구에서는 플라즈마 장치에서 미세한 입자 제거효율을 평가하기 위한 새로운 모델개발과 운전특성 조사를 위해서 입자분포 경의 변화를 측정하는 분체공학적인 실험을 수행하였다. 실험의 조건은 플라즈마 방전시간, 가스속도, 가스온도 등이며 본 연구에서는 이들 변화에 따른 영향을 조사하였다. 그리고, 집진 효율을 효율적이고 정성적으로 평가하기 위해서 새로 개발된 모델은 기존의 모델과 다른 매개변수를 이용하여 연구되어졌다.
실험에 사용된 배기가스는 B화력발전소의 전기집진장치에서 유출되는 일부분의 실제 배기가스를 이용하였다. 실험장치내에 배기가스가 주입되기 전/후의 온도, 압력 및 유량, 충격 코로나 전압, 전류 등의 특성 변화에 따른 미스트 제거율을 포집부에서 미스트의 입경 크기를 측정하여 나타난 분포곡선의 변화로 분석하였다. 본 연구에서 플라즈마를 발생시키는 충격식 발생장치는 회로 내에 방전자를 설치하고 방전자 내부의 전압 차를 이용하여 최저 10~35kV, 최고 50〜80kV로 조정이 가능하고, 파장이 200~500nsec, 주파수가 0.
플라즈마 운전조건인 플라즈마 공급시간, 가스공급속도, 충격 코로나 방전전압과 가스공급온도의 변화에 따른 포집부에서 제거된 입경분포를 조사하였다. 먼저, 플라즈마 공급시간 변화에 따른 실험 결과를 나타낸 것이 Fig.
플라즈마 장치내에서 제거효율을 정성적으로 평가하기 위해서 유입부, 유출부, 포집부의 입자분포변화를 측정하여 제거된 입자량을 계산하였으며, 입자 분포도를 구하기 위해 플라즈마 장치에 연결된 He-Ne 레 이 저회 절 장치 (Helos laser diffraction spectrometers)를 이용하여 입자크기 변화를 분석하였다. 플라즈마 장치의 운전조건에 따른 반응 특성 관계를 효율적으로 평가하기 위해서 사용된 레이저 회절 장치의 원리는 Fraunhofer 이론을2粉 적용하여 제작되었고, 입자분포도는 플라즈마 장치내에서 채취된 시료를 측정 셀(Cell)에 주입하여 분석된 레이저 강도에 의해 계산되어진다.
반응장치 상 . 하단의 판에 고정된 밸브를 조절하여 처리용량 및 처리가스 속도를 조절하였고 가스 온도는 냉각장치와 열 교환기를 이용하여 조절하였다.

대상 데이터

본 연구를 위하여 사용된 실험장치는 전원공급설비, 충격식 발생장치 (Impulse Generator), 반응장치 (Reactor), 포집부(Bunker) 등 주요 반응설비와 냉각기, 열 교환기, 전압계와 전류계, 레이저회절장치, 온도, 압력, 유량측정기 등의 설비로 구성되어 있으며, Fig. 1은 B화력발전소의 배연가스 속에 함유된 미세한 입자와 NOx/SOx를 동시처리하기 위한 플라즈마장치 개략도이다. 실험에 사용된 배기가스는 B화력발전소의 전기집진장치에서 유출되는 일부분의 실제 배기가스를 이용하였다.
1은 B화력발전소의 배연가스 속에 함유된 미세한 입자와 NOx/SOx를 동시처리하기 위한 플라즈마장치 개략도이다. 실험에 사용된 배기가스는 B화력발전소의 전기집진장치에서 유출되는 일부분의 실제 배기가스를 이용하였다. 실험장치내에 배기가스가 주입되기 전/후의 온도, 압력 및 유량, 충격 코로나 전압, 전류 등의 특성 변화에 따른 미스트 제거율을 포집부에서 미스트의 입경 크기를 측정하여 나타난 분포곡선의 변화로 분석하였다.
본 연구의 실험변수와 충격식 코로나방전 실험장치의 운전조건은 Table 1과 같다. 실험에 사용된 배기가스의 농도는 B화력발전소에서 배출되는 배연가스의 농도 중 SOx와 NOx 농도가 상대적으로 최대와 최저치가 되는 대표적인 배출 상태를 선택하여 사용하였다.

이론/모형

계산 결과를 식 (6)에 대입함으로써 플라즈마 장치에서 제거될 수 있는 입자경의 변화를 정성적으로 평가할 수 있다. Fig. 2는 배기가스 온도 90°C, 배기가스 유속 1.4m/s와 충격코로나 방전전압 60kV로 공급한 조건에서 유입, 유출과 포집부의 입자분포경을 측정하여 Ha-Pahl 모델에 적용하여 구한 제거율의 변화를 나타내었다. 이 결과에서 보면 입자크기 0.
플라즈마 발생장치에서 미세 먼지입자의 제거율은 Ha-Pahl 모델을 적용하여 식 (6)의 관계에 의해서 계산되어졌다. 포집부의 입자분포량 g와 유출 부의 입자분포량 f는 레이저 회절장치를 이용하여 측정된 유입부의 입자분포경 QA(d), 포집부의 입자분포 경 Q_g(4)와 유줄부의 입자분포경 QF(d)를식 (4)와 식 (5)에 대입하여 계산되어졌다.
플라즈마 장치의 운전조건에 따른 반응 특성 관계를 효율적으로 평가하기 위해서 사용된 레이저 회절 장치의 원리는 Fraunhofer 이론을2粉 적용하여 제작되었고, 입자분포도는 플라즈마 장치내에서 채취된 시료를 측정 셀(Cell)에 주입하여 분석된 레이저 강도에 의해 계산되어진다. 레이저강도 I(r, 山는측정 셀내에 분포하는 입자수, 입사되는 레이저강도 Io, 렌즈의 초점거리 f, 빛의 파장 人, Detector의 반경「의 값에 따라 결정된다.

성능/효과

5 nm 이 상의 입자수 분포도에 서 가스속도가 L4m/s일 때는 10/."翼 이상의 입경분포율이 100%이고, 2m/s의 공급속도에서는 60/zm 이상의 입자 수분 포도가 100%로 나타났다. 따라서, 공급속도가 낮은 경우가 플라즈마의 반응에 효과적임을 알 수 있다.
또한, Fig. 7의 결과에서 보면 70kV와 50kV의 조건에서 제거된 입자수분포경에서 전체적인 제거율은 70kV에서 우수하지만 0.5 이하의 미세한 입자에 있어서는 50kV에서 우수하였다. 이들의 결과는 충격코로나 발생 전압의 증가에 따라 전계력의변화로 입자의 움직임은 편향이 발생하고, 이온강도에 의해서 입자들의 부착에 의한 응집체의 견고성이 손실되었기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.
현상어 더 많이 발생하기 때문에 플라즈마를 발생할 수 있는 전압 이상이 되면 플라즈마 반응을 둔화시키기 때문이었다. 배연가스에 함유된 SOx와 NOx의 농도비율에 따라 미스트가 형성과정을 입자크기를 분석한 결과에서 보면 SOx의 농도변화가 NO*의 변화 보다 미스트 형성과정에 크게 작용하였고, 미스트 제거율도 약간 효율적으로 영향을 미쳤다. 배연가스에 함유된 미세한 입자는 배기가스 속에 함유된 SOx/NOx의 농도변화에 따라서 황산염과 질산염 형태로 전환되는 것을 막기 위해서 산화제인 03, 压。2와 환원제인 皿, C₂H₄의 첨가에 따른 플라즈마 반응시 SOx나 NOX 다른 부산물로 생성시키게 하는 선행연구가 전제되어겨야 한다.
6은 가스공급속도 변화에 따른 입자 경 분포를 나타내고 있다. 본 실험에서 유속 1.0〜2.0m/s로 변화시켰으며 가스온도 90°C, 가스동점도 22.5 - 10%2/s에서 레이놀드수는 12, 000 - 27, 890 범위로 계산되었다. 이 결과에서 흐름형태는 난류 상태로 간주할 수 있으며, 흐름의 저항은 유속이 증가할수록 증가하고, 가스흐름은 동역학적 에너지를 가지게 된다 W
결론이 도출되었다. 운전시간의 증가에 따라서 포집 부에서 탈진된 미스트의 분석과정에서 나타난 입경 분포도를 분석한 결과 플라즈마 반응에 따라서 미세한 입자의 점착력이 증가함으로서 포집 부에서 분석된 입경분포 중 큰 입자로 분포하는 량이 증가하였다. 가스속도 변화에 따른 운전조건에서는 가스 속도가 증가할수록 0.
성분 조건에 따라서 플라즈마 반응에 의하여 입자상물질이 제거되는 량을 추정하기 하기 위해서 입자크기 변화를 측정하여 식 (6)에 대입하여 나타낸 실험 결과이다. 운전조건이 일정한 상태에서 입자가 제거되는 변화를 보면 SO₂ 농도가 높고 NO 농도가 낮은 상태의 배기조건일 때 이하 입자의 제거율이 90% 이상인 반면에 NO 농도가 높고 SO₂ 농도가 낮은 조건에서 80% 제거율로 나타났다.
배기가스의 인입온도는 플라즈마반응에 의해서 활성화된 입자와 여러 화학종 간의 화학결합을 위해서 필요한 반응온도에 큰 영향을 미치게 된다. 이 결과에서 45°C와 140°C에서는 제거율이 낮았고, 90〜 10Q°C의 범위에서 제거율이 높게 나타났다.
3은 배연가스에 함유된 SOx/NOx 농도변화에 따른 입자질량분포경 彳3의 변화를 나타내고 있다. 이 결과에서 보면 SO₂의 농도가 높을수록 미세입자의 질량분포량은 감소하였고 큰 입경분포는 증가하였다.
4m/s와 충격코로나 방전전압 60kV로 공급한 조건에서 유입, 유출과 포집부의 입자분포경을 측정하여 Ha-Pahl 모델에 적용하여 구한 제거율의 변화를 나타내었다. 이 결과에서 보면 입자크기 0.8 는 50% 이상 제거됨을 알 수 있고, 1 이상의 입자크기는 90% 이상 제거됨을 알 수 있다.
가스속도 증가는 일정한 운전조건에서플라즈마 반응이 진행될 수 있는 체류시간이 감소하기 때문에 인입속도가 효율에 큰 영향을 미쳤다. 충격 코로나 방전의 증가에 따른 이온강도의 증가는 전체 미스트 제거율은 증가하였지만, 미세한 입자 포집은 50kV가 70kV보다 상대적으로 약간 높게 나타났다. 그 이유는 일정한 전압의 증가는 플라즈마 발생은 증가하지만, Break-down .

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