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문제 정의
- 그러나 일반적인 사이크론은 처리공정 중에 마찰손실과 유체의 유선 (stream lines)에서 에디 (eddies)의 혼란에 의하여 충분한 볼텍스 튜브의 효과와 원심력을 얻지 못하므로 미세입자의 제거나 온도강하의 정도가 효율적이지 못하여 조대입자상 물질의 처리용으로만 주로 사용되어오고 있다. 본 연구에서는 이러한 부분의 개선과 메카니즘 규명을 위하여 실험실연구와 시간당 100kg 정도의 고체소각이나 액체 증발의 장치를 갖춘 보텍스 사이클론 파이롯트 (vortex cyclone pilot) 시설을제작 설치하여 입자물질과 특정유해가스 물질의 동시제거를 위한 연구를 하였다. 연구를 하게 된 배경으로는 연소 시에는 반드시 탄소성분과 회분성분(한국자원연구소 1997)이 함께 함유된 분진과 수증기의입자상 물질이 발생하며, 그 밖의 유해가스가 이산화탄소와 함께 발생함으로 이들을 응축, 흡착, 응결 등의 분리 메카니즘에 적용할 수 있는 적절한 조건 (Carrol and Carroll, 1993)을 갖추고 있기 때문이었다.
제안 방법
- 이 장치는 외부로부터 압축공기를 사이클론 속에 불어넣어 보텍스 튜브의 효과와사이클론 집진효과를 동시에 얻을 수 있는 장치로고안되었다. 이 장치는 기본적으로 이미 연구개발된장치 (Yang and Sank。' Industry Co. 1992)의 유사장치이나 본 연구를 위한 보텍스 싸이클론의 압축된공기분사를 위한 노즐과 내부의 보텍스 형성을 위한콘부분을 새롭게 설계하였다. 노즐을 통한 압축공기의 팽창은 다음과 같은 Joule-Thomson (J-T) 팽 칭식에 의한다.
- 실험실 배연가스는 분말활성탄(입경 75 gm, 200 mesh 체잔분 10% 이하), 탄산가스 Toluene 및 습윤공기를 배연가스 혼합조에 통과시켜 일정한 농도로 제조하였다. 이 혼합조는 투명한 아크릴재질로 만들어 내부의 상태를 눈.
- 으로 확인할 수 있도록 하였다. 배연가스 조성율은 일반적인 도시 폐기물 소각로의 가스 성분에 근접한 조성으로 표 1과 같이 유지하도록 하였다.
- 압축공기는 압축하기 전에건조재를 통과시켜 습기를 제거하였으며 보텍스 사이클론에 들어가기 직전의 인조 배연가스의 조성은 CO?와 수분을 기준으로 하여 측정하였다. Toluene의유입농도는 일정량의 공기를 액체 Toluene용기에 통과시켜 일정시간에 소모된 양으로 산출하였다. 입자물질 배출구에서는 공기 유량, CO》Toluene 및 수분의 농도, 입자물질의 양을 측정하였으며 처리가스의배출구에서도 같은 인자들을 측정하여 표 1에서와같이 물질수지 (Material Balances)를 검증하였다.
- Toluene의유입농도는 일정량의 공기를 액체 Toluene용기에 통과시켜 일정시간에 소모된 양으로 산출하였다. 입자물질 배출구에서는 공기 유량, CO》Toluene 및 수분의 농도, 입자물질의 양을 측정하였으며 처리가스의배출구에서도 같은 인자들을 측정하여 표 1에서와같이 물질수지 (Material Balances)를 검증하였다. 실험에서는 실제 연소과정이 없기 때문에 산소의 농도는 공기 중의 산소 농도가 적용되었다.
- 실험에서는 실제 연소과정이 없기 때문에 산소의 농도는 공기 중의 산소 농도가 적용되었다. 수분의 농도범위는 일반소각로에서 발생되는 근사수치 0.002 wt% (30 mg/Sn?)와 대기온도 27℃ (80°F)에서의 상대습도 30%인 0.64wt%(9.6g/Sm3) 범위 내에서 실험을 수행하였다.
- 바와 같이 89%로 낮게 나타났다. 입자상 물질의 제거효율은 제2차 처리장치인 고효율 사이클론에서 증가시킬 수 있으므로 유체의 흐름선을 유지하도록 다소 낮은 유속을 유지 하였다. 공기 중의 산소와 질소는 다른 조성 성분에 비해 상대적으로 매우 높은 농도이므로 변화를 무시하였다.
- 입자상 물질의 제거효율은 제2차 처리장치인 고효율 사이클론에서 증가시킬 수 있으므로 유체의 흐름선을 유지하도록 다소 낮은 유속을 유지 하였다. 공기 중의 산소와 질소는 다른 조성 성분에 비해 상대적으로 매우 높은 농도이므로 변화를 무시하였다.
대상 데이터
- 실험실 장치는 그림 1에서와 같이 보텍스 사이클론에 유입될 혼합가스를 만드는데 필요한 실린더 탄산가스와 탄소 공급기, Toluene 증발장치, 그리고 습도를 적절히 조절하는데 필요한 가습장치로 구성되어있다. 분석 장비로는 GC (Shimadzu GC-14B, FID), Stack Gas Analyzer (Bacharach, CA300), 습도계, 입자상물질 측정기의 비교적 간단한 장비가 사용되었으며 일부의 분석은 국내 G사와 C사가 대행하였다.
- 분석 장비로는 GC (Shimadzu GC-14B, FID), Stack Gas Analyzer (Bacharach, CA300), 습도계, 입자상물질 측정기의 비교적 간단한 장비가 사용되었으며 일부의 분석은 국내 G사와 C사가 대행하였다. 실험실장치는 그림 2 파이롯트 장치의 A, B, H 및 G 부분에 해당하고 파이롯트 장치는 그림 2의 전체 부분으로 구성되어있다.
- 분석 장비로는 GC (Shimadzu GC-14B, FID), Stack Gas Analyzer (Bacharach, CA300), 습도계, 입자상물질 측정기의 비교적 간단한 장비가 사용되었으며 일부의 분석은 국내 G사와 C사가 대행하였다. 실험실장치는 그림 2 파이롯트 장치의 A, B, H 및 G 부분에 해당하고 파이롯트 장치는 그림 2의 전체 부분으로 구성되어있다. 이 장치는 외부로부터 압축공기를 사이클론 속에 불어넣어 보텍스 튜브의 효과와사이클론 집진효과를 동시에 얻을 수 있는 장치로고안되었다.
성능/효과
- 같다. 그리고 처리효율의 결과는 비록 실험설계 (Experimental design)에서 선택한 제어변수들(Control variables) 간의 상호영향 (Mutual effects)을없도록 선택하여 제 어변수 (Control parameters)로 실험을 하였으나 다음의 결과에서와 같이 상호영향은피할 수 없는 것으로 나타났다.
- 이는 수분의 함량이 실험한 범위 내에서는 수분이많을수록 직접적인 응축에 의한 효과보다 간접적인응축의 효과를 나타내는 흡착의 메카니즘에 기인하는 것으로 판단된다. 결과적으로 실험한 상대습도 범위인 10~30%에서는 수분응축이 온도상승에 미치는 영향은 미 미하였다. 온도와 습도가 J-T 계수에 미치는 영향은 그림 6과 7에서도 이 두변수의 증가에따른 상승폭은 감소하는 반면 압력의 증가에 따른상승폭은 증폭되는 것으로 나타나고 있다.
- 이러한 수분의 홉착이 주도되는 메카니즘에서는 피흡착물질이친수성 인지 혹은 소수성 (Hart, 2000)인지에 따라 제거 효율이 달라진다. 또한 비록 주입압력의 상승에따라 J-T 계수가 증가하지만 반드시 제거효율이 증가되 지는 않는 것으로 나타났다. 과도하게 높은 압력은 보텍스 사이클론 내부에서 유체흐름선을 흐트러뜨리게 되기 때문이다.
- 표 2에는 측정된 각 성분의 최대 처리효율을 나타내었으며 이 중 분말활성탄의 제거 효율은 유입속도가 일반적인 설계 기준속도(7~15 m/s)보다 낮게 5 m/s로 설정되었고, 입자물질 처리는 본 연구의 주요 목적 밖에 있기 때문이었으며, 실험 조건에서는 예측한 바와 같이 89%로 낮게 나타났다. 입자상 물질의 제거효율은 제2차 처리장치인 고효율 사이클론에서 증가시킬 수 있으므로 유체의 흐름선을 유지하도록 다소 낮은 유속을 유지 하였다.
- 그러나 실제적으로는 Toluene의제거 효율은 그림 13, 14및 16에서 관찰되듯이 같은주입압력에서 온도가 높아짐에 따라 감소되었고 이러한 현상은 탄산가스의 제거효율에서도 같은 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 실험범위 내에서 J-T계수의 변화에 의한 영향보다 흡착이나 응축의 효과에 미치는 가스성분의 활동도가 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 습도가 Toluene의 제거효율에 미치는 영향은 그림 14~ 16에서와 같이 탄산가스와는 반대로 상대습도가 높아질수록 효율은 낮아졌다.
- 이러한 결과는 실험범위 내에서 J-T계수의 변화에 의한 영향보다 흡착이나 응축의 효과에 미치는 가스성분의 활동도가 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 습도가 Toluene의 제거효율에 미치는 영향은 그림 14~ 16에서와 같이 탄산가스와는 반대로 상대습도가 높아질수록 효율은 낮아졌다. 이러한 결과는 앞에서 설명되었듯이 수분이 강한 극성을 갖고 있어 극성이 거의 없는 Toluene의 수분에 대한 역현상으로 나타나는 것으로 볼 수 있다.
- 본 연구의 결과로 보텍스 싸이클론을 이용한 휘발성 유기화합물질 (VOCs)과 입자물질 동시제거는 Toluene과 탄산가스 처리 효율의 연구결과로 기술적 가능성을 검증하였으나 VOCs의 화학적, 물리적 특성에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 이에 따른 적절한 처리조건을 고려한 장치 설계에는 각 휘발성 물질의 화학적 특성을 고려하여 적용하여야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 이에 따른 적절한 처리조건을 고려한 장치 설계에는 각 휘발성 물질의 화학적 특성을 고려하여 적용하여야 할 것으로 판단된다. 특히 본 연구의 Toluene과 탄산가스 처리효율의 결과에서 나타났듯이 VOCs와 같이 발생하는 물질 중 친수성도나 친유성도의 정도에 따라 운전조건을 달리하여야 할 것으로 나타났다. 미연탄소 표면은 일반적으로 비표면적 이 높아 흡착방해 성 메카니즘의 영향이 줄어들 것으로 보이며, 탄산가스와 같은 산성가스의 흡수력이 증가되어 처리효율이 증대될 것으로 나타났다.
- 특히 본 연구의 Toluene과 탄산가스 처리효율의 결과에서 나타났듯이 VOCs와 같이 발생하는 물질 중 친수성도나 친유성도의 정도에 따라 운전조건을 달리하여야 할 것으로 나타났다. 미연탄소 표면은 일반적으로 비표면적 이 높아 흡착방해 성 메카니즘의 영향이 줄어들 것으로 보이며, 탄산가스와 같은 산성가스의 흡수력이 증가되어 처리효율이 증대될 것으로 나타났다. 그리고 수분이 탄소나 회분 표면에서 일어나는 응축이나 흡착은 Toluene의 응축이나 흡착 메카니즘에 방해를 하는 일반적인 표면 현상에 기인한 것으로 판단되므로 본 연구에서 수행한 상대습도 10-30% 범위의 수분함량에서는 Joule-Thomson 계수에 미치는 영향은 다소 있었다.
- 미연탄소 표면은 일반적으로 비표면적 이 높아 흡착방해 성 메카니즘의 영향이 줄어들 것으로 보이며, 탄산가스와 같은 산성가스의 흡수력이 증가되어 처리효율이 증대될 것으로 나타났다. 그리고 수분이 탄소나 회분 표면에서 일어나는 응축이나 흡착은 Toluene의 응축이나 흡착 메카니즘에 방해를 하는 일반적인 표면 현상에 기인한 것으로 판단되므로 본 연구에서 수행한 상대습도 10-30% 범위의 수분함량에서는 Joule-Thomson 계수에 미치는 영향은 다소 있었다. 그러나 일반적인 소각시설의 수증기 발생량 범위에서는 수증기 응축에 의한 응축열은 압력강하에 의한 온도 강하에 비해 영향이 약하였다.
- 압축가스의 유입압력의 정도에 따라 온도강하도가높아지나 과도한 압력은 오히려 싸이클론 내부의 유체흐름에 방해를 주는 에디 (eddies)의 생성으로 인해흐름이 흐트러지므로 적절한 범위 내에서 가동되어야 할 것으로 나타났다.
- 따라서 탄산가스와 같이 흡수성 이 강한 물질은 낮은 온도에서 높은 수분함량을 유지하고, Toluene과같은 휘발성 유기화합물은 수분의 함량과 온도를 낮게 유지하면서 보텍스 사이클론의 안정된 유체흐름을 유지 할 수 있는 최대의 압력으로 운전함으로 높은 처리효율을 얻을 수가 있다고 판단된다. 물론 이외의 최적 운전 요건도 유지하여야 한다.
후속연구
- 본 연구실험에서 얻어진 결과는 주어진 보텍스 싸이클론의 구조에서 얻어진 결과이므로 노즐과 싸이클론의 형상에 따라 사전에 주어진 설계에 따른 처리효율 점검이 이루어져야 한다고 판단된다.
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