[논문]고온 세라믹필터의 펄스젯 탈진 성능에 관한 연구

김병렬; 박승철; 박병철; 조현준; 오형모; 황태원; 신상운

문제 정의

본 실험에서는 유량변화에 따른 기저압력 변화를 실험하고자 하였으며, 운전유량이 평균 150m'/h일 때 발생되는 필터 기저차압은 신규필터 (HTF-B, Schumacher사)의 경우 75mmH₂O 임을 알 수 있었으며, 기존필터 (HTF-A, cerafil사)의 경우 20mmH₂O 임을 알 수 있었다. 따라서 운전 중 잔류층에 의한 압력변화와 역세정후의 압력변화를 측정하고 운전초기의 #과의 차이를 확인하고자 하였다.
저준위 가연성폐기물 유리화시 저온용융로 후단에 고온 세라믹 필터를 장착하여 용융로에서 발생되는 먼지를 효율적으로 제거하고, 탈진장치에 의한 최적의 운전조건을 도출하는데 있으며, 궁극적으로 유리화 상용설비에 설치될 고온 필터 탈진장비 설계를 위한 기본 자료를 얻기 위한 것이다. 따라서 탈진압력 및 분사 노즐의 위치에 따른 필터 여과재 내부의 유동 특성을 알아보고 압축공기 분사모드에 따른 고온필터 내부의 유동변화를 비교 고찰하며, 실증설비에 적용하여 고온세라믹 필터의 운전성능을 확인하고자 하였다.
고온가스 집진기술의 궁극적인 목표는 장시간 안정적 운전에 있다. 본 실험에서는 candle형 세라믹 필터를 이용한 여과 집진시스템에서 안정적 운전을 위한 최적의 운전조건을 얻기 위하여 아래와 같이 평가항목을 설정하였으며, 실증 실험을 통한 특성을 규명하고, 최적운전을 위한 역세정 방법을 확정하고자 하였다.
본 연구는 고온 세라믹 필터에 형성된 먼지 충 (Dust cake)을 제거하고 안정된 차압을 형성하여 고 온가스 집진시스템을 원활하게 운전하는데 목적이 있다.
본 연구의 목적은 중 . 저준위 가연성폐기물 유리화시 저온용융로 후단에 고온 세라믹 필터를 장착하여 용융로에서 발생되는 먼지를 효율적으로 제거하고, 탈진장치에 의한 최적의 운전조건을 도출하는데 있으며, 궁극적으로 유리화 상용설비에 설치될 고온 필터 탈진장비 설계를 위한 기본 자료를 얻기 위한 것이다.
본 연구의 목적은 중 . 저준위 가연성폐기물 유리화시 저온용융로 후단에 고온 세라믹 필터를 장착하여 용융로에서 발생되는 먼지를 효율적으로 제거하고, 탈진장치에 의한 최적의 운전조건을 도출하는데 있으며, 궁극적으로 유리화 상용설비에 설치될 고온 필터 탈진장비 설계를 위한 기본 자료를 얻기 위한 것이다. 따라서 탈진압력 및 분사 노즐의 위치에 따른 필터 여과재 내부의 유동 특성을 알아보고 압축공기 분사모드에 따른 고온필터 내부의 유동변화를 비교 고찰하며, 실증설비에 적용하여 고온세라믹 필터의 운전성능을 확인하고자 하였다.

제안 방법

역세정에 의하여 케이크 층이 떨어져 나가면 필터의 성능이 되살아나 연속적으로 운전이 가능해지지만 오랜시간 사용하면 #이 너무 커서 작동이 힘들게 되고 잔류압력손실이 계속 증가하여 투과율이 계속 감소하게 되어 필터의 성능이 떨어지게 된다. 따라서 운전 초기에 기처압력차를 측정하고 운전중 분진에 의해 발생되는 잔류압력손실을 모니터링 함으로써 필터의 수명을 예측할 수 있다.
본 실험에서는 집합식의 경우 한 시간 동안 역세정을 하지 않고 분진층이 자연스럽게 형성되도록 하였으며, 설정차압에 도달하게 될 때 5분 동안 역세정을 해주기 때문에 필터당 압축공기 분사횟수는 필터 한 개당 5회 정도로 실시하였다. 이는 분산식 역세정 방법보다 12배 정도 압축공기에 의한 필터 스트레스를 감소시키는 결과라 할 수 있을 것이다.
역세정 방법은 역세정 시간 간격을 동일하게 하여 연속적으로 수행하는 경우(분산법 : Dispersion mode)와 일정 시간이 지난 후에 짧은 펄스시간을 동시에 주어 역세정하는 경우(집합법 : Collective mode)가 있다. 본 유리화 설비의 경우 기존 고온필터시스템(HTF-A, 영국)의 경우 분산법을 적용하였으며, 신규 고온필터시스 템(HTF-B, 독일)은 집합법을 약간 변형한 역세정 방법으로 운전하였으며, 역세정시 원활한 차압유지 및 펄스압력에 의한 필터 스트레스를 최소화하기 위한 운전방법을 도출하고자 하였다.
5) 또한 고온필터 내부에 있는 각각의 필터 여과재에 압축 공기를 분사하기 위해서 5열의 분사 채널이 있다. 실제 운전 중에는 5개의 채널을 동시에 분사하는 경우와 1채널씩 시간차를 두고 분사하는 경우가 있는데 두 경우의 차이점을 고찰하였다. 각 경우에 대해 시간에 따른 필터 여과재 내부 유동 변화를 보면 펄스를 1 채널에 입력한 경우 다른 채널의 노즐에서 분사되는 펄스 압력 간섭이 없기 때문에 초기 펄스제트 발달 속도가 전체 펄스 채널을 가동한 경우에 비해 빠른 것으로 나타났다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 SiC 재질의 필터는 멤브레인 층이 있어 내구성과 여과효율이 우수하고 상대적으로 높은 여과속도의 적용이 가능하여 적은 수의 여과 재만을 필요로 하였다. 기존필터 에 적용되었던 분산 식(Dispersion mode) 역세정 방법은 일정한 간격으로 상온(常溫)의 압축공기를 쉬지 않고 분사하는 방식이다.
본 연구에서 사용한 해석모델 형상 및 해석인자를 Fig. 1에 나타내었으며, 2차원, 3차원 해석 조건 및 모델로 각각 4가지(2L X 2△), 1가지(1L x 1△) 제안모델을 설정하였다(Table 1).

이론/모형

본 연구를 수행하기 위해 전산유체 역학(CFD)에서 범용되는 유체해석프로그램인 FLUENT 6.1 을 사용하였다. CFD는 유체의 흐름을 실험에 의한 측정 방법이 아닌 컴퓨터를 이용한 수치 해석 방법을 이용하여 분석하는 것이다.

성능/효과

둘째, 2차원 분석결과 필터 여과재 길이 별 유동 특성은 필터 여과재 1000mm에서는 약 40msec 이후부터 분사된 유동이 일정하게 유지되며, 1500mm 인 경우는 약 90msec 이후 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 3차원 분석모델에서는 Pulse 유지시간은 10msec에서 가장 멀리 압축공기가 필터 여과재에 전달되었으며, 40msec 이상에서는 유동이 거의 동일한 것으로 나타났다. 따라서 Pulse 유지시간은 40msec 가 가장 적당한 것으로 판단된다.
둘째, 2차원 분석결과 필터 여과재 길이 별 유동 특성은 필터 여과재 1000mm에서는 약 40msec 이후부터 분사된 유동이 일정하게 유지되며, 1500mm 인 경우는 약 90msec 이후 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 3차원 분석모델에서는 Pulse 유지시간은 10msec에서 가장 멀리 압축공기가 필터 여과재에 전달되었으며, 40msec 이상에서는 유동이 거의 동일한 것으로 나타났다.
본 실험에서 사용된 고온 세라믹 필터는 기존 섬유필터에 비해 필터가 고형화 되어 있기 때문에 별도 의 지지체가 필요 없다. 따라서 설치비와 운전비를 현저히 줄일 수 있으며, 약 90012 정도의 온도에서도 안정적으로 운전이 가능하다. 또한 기본적으로 세라믹 여과재가 일반 고분자 섬유필터 에 비해 화학적으로 안정하고 산성 배가스 분위기에서도 뛰어난 내부 식성을 가지며, 1um의 미세한 먼지입자에서도 높은 제거효율을 갖는다는 장점이 있다.
분사 노즐과 Venturi 사이의 거리(△)를 기존 10mm에서 5mm로 변화시킨 경우 유동에 미치는 효과를 고찰한 결과, 유동 패턴이나 필터 여과재 내 centerline 유속 분포에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 압축공기 분사 압력을 기존 3bar 대비 lbar로 할 경우 분사 초기에는 최대 유속 대비 유속 크기가 작게 나타나서 필터 여과재 내부의 유동 전달 강도가 분사 압력 3bar에 비해 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 시간이 경과할수록 차이는 줄어들지만 여전히 필터 여과재 중앙부까지의 유동 전달 강도는 분사 압력 3bar에 비해 떨어지는 것으로 나타났으며, 유동 최대 도달 위치는 거의 동일한 것으로 나타났다. (Fig.
따라서 여과된 미세 입자가 필터 상-하단 전 영역에 걸쳐서 침적될 것으로 예상된다. 또한 압축공기 분사 후 고온필터 내부의 유적선 분포를 보면 분사된 유체가 필터 상단에 비해 필터 하단을 통해서 나가는 것이 두드러지며 따라서 필터 상단에 침적된 입자의 탈진에는 취약할 것으로 판단되며, 분사된 유체가 고온필터 입구까지 미쳐서 역류가 발생하는 것으로 나타났다.
셋째, 필터 여과재에 압축 공기를 분사하는 방식은 전체 채널을 동시에 분사하는 방식보다는 1개 채 널에 분사하는 방식이 고온필터 입구에서의 역류량이 현저하게 줄어들기 때문에 고온필터 전단의 내부 압력에 미치는 영향이 작을 것으로 판단된다. 또한 전체 채널 동시 분사하는 방식보다 1 채널만 분사할 경우 다른 채널의 노즐에서 분사되는 펄스압력 간섭이 없는 것으로 판단되며, 초기 Pulse Jet 발달 속도가 전체 펄스 채널을 가동한 경우에 비해 빠른 것으로 나타났다. 따라서 각 채널 별로 시간 차이를 두고 펄스를 입력흐]는 것이 입구에서의 역류량을 줄이고 초기 탈진성능을 높이는 방식으로 판단된다.
각 경우에 대해 시간에 따른 필터 여과재 내부 유동 변화를 보면 펄스를 1 채널에 입력한 경우 다른 채널의 노즐에서 분사되는 펄스 압력 간섭이 없기 때문에 초기 펄스제트 발달 속도가 전체 펄스 채널을 가동한 경우에 비해 빠른 것으로 나타났다. 또한 펄스 입력 시 발생하는 고온필터 입구에서의 역류량도 1 채널 입력시 에 현저하게 줄어드는 것으로 나타났다.
6에 나타내었다. 본 실험에서는 유량변화에 따른 기저압력 변화를 실험하고자 하였으며, 운전유량이 평균 150m'/h일 때 발생되는 필터 기저차압은 신규필터 (HTF-B, Schumacher사)의 경우 75mmH₂O 임을 알 수 있었으며, 기존필터 (HTF-A, cerafil사)의 경우 20mmH₂O 임을 알 수 있었다. 따라서 운전 중 잔류층에 의한 압력변화와 역세정후의 압력변화를 측정하고 운전초기의 #과의 차이를 확인하고자 하였다.
분사 노즐과 Venturi 사이의 거리(△)를 기존 10mm에서 5mm로 변화시킨 경우 유동에 미치는 효과를 고찰한 결과, 유동 패턴이나 필터 여과재 내 centerline 유속 분포에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 압축공기 분사 압력을 기존 3bar 대비 lbar로 할 경우 분사 초기에는 최대 유속 대비 유속 크기가 작게 나타나서 필터 여과재 내부의 유동 전달 강도가 분사 압력 3bar에 비해 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 시간이 경과할수록 차이는 줄어들지만 여전히 필터 여과재 중앙부까지의 유동 전달 강도는 분사 압력 3bar에 비해 떨어지는 것으로 나타났으며, 유동 최대 도달 위치는 거의 동일한 것으로 나타났다.
셋째, 필터 여과재에 압축 공기를 분사하는 방식은 전체 채널을 동시에 분사하는 방식보다는 1개 채 널에 분사하는 방식이 고온필터 입구에서의 역류량이 현저하게 줄어들기 때문에 고온필터 전단의 내부 압력에 미치는 영향이 작을 것으로 판단된다. 또한 전체 채널 동시 분사하는 방식보다 1 채널만 분사할 경우 다른 채널의 노즐에서 분사되는 펄스압력 간섭이 없는 것으로 판단되며, 초기 Pulse Jet 발달 속도가 전체 펄스 채널을 가동한 경우에 비해 빠른 것으로 나타났다.
실험결과 고온필터 내의 탈진성능에 미치는 영향 인자는 Pulse 압력과 Pulse 유지시간, 압축공기 분사 방식인 것으로 나타났다. 이는 필터 여과재에 형성된 먼지층 제거효율에 영향을 미칠 뿐만 아니라 고온필터 내부의 차압등 운전인자 및 필터 수명에 영향을 미치는 중요한 인자이다.
4는 고온필터 의 주 기능인 배기가스내의 함유된 미세 입자 여과 기능 작동 시 유적선 및 중앙단면 에서의 유속 분포를 나타낸다. 유적선 분포에서 보는 바와 같이 고온필터 내부로 유입된 배기가스가 필터 여과재를 통과할 때 치우침 없이 필터 여과재의 상- 하단을 고르게 통과하여 출구로 나가는 것으로 나타났다. 따라서 여과된 미세 입자가 필터 상-하단 전 영역에 걸쳐서 침적될 것으로 예상된다.
첫째, 압축공기 분사압력을 최소한 3bar 이상으로 운전할 경우 필터 여과재 중앙부까지의 유동전달의 효과가 있는 것으로 나타났다.
필터 여과재 길이별 유동특성을 고찰한 결과, 필터 여과재 1000mm 에서는 약 40ms 이후부터 분사된 유동이 일정하게 유지되며, 1500mm 인 경우는 약 90ms 이후 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 따라서 압축 공기의 펄스 유지시간이 적어도 이 시간 이후까지 지속되어야 효과적인 탈진이 이루어질 것으로 판단된다(Fig.
필터 여과재내 펄스 전달 양상을 보면 약 10ms에서 가장 멀리 전달되고 40ms 이후 유동이 거의 동일하게 유지되는 것으로 나타났다. 따라서 펄스 유지시간을 적어도 40ms 이상 지속되어야 할 것으로 판단된다.

후속연구

넷째 , 역세정 모드의 경우 일정한 차압에 도달할 때까지 역세정을 하지 않고 분진층이 자연스럽게 형성 되도록 유도하여 분진충에 의한 여과효과를 높이고, 역세정 횟수를 감소시킴으로써 필터의 열충격 및 기계적 충격을 최소화할 수 있는 집합식 (Collective mode) 역세정방법이 적용되어야 할 것으로 판단된다.
고온가스 집진기술의 궁극적인 연구목표는 고온 배가스 집진 공정의 장시간 안정적 운전에 있다. 따라서 고온세라믹 필터를 이용한 장시간 안정적 운전을 위해서는 필 터 의 내구성 및 수명에 영향을 미치는 요인을 파악하고, 안정적 운전을 위한 최적조건을 도출하기 위한 실험이 선행되어야 할 것이다.

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