[논문]디젤엔진용 코로나 방전식 전기집진장치의 개발 과정에서의 배기 정화 성능에 관한 기초연구

손병호; 배종욱

doi:10.5916/jkosme.2007.31.8.904

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In this study an experimental research has been conducted to reduce NOx and smoke emission from diesel engine exhaust gas simultaneously by application of corona discharge type electrostatic precipitator(ESP). The ESP was installed between exhaust gas silencer and outlet terminal of exhaust gas syst...

In this study an experimental research has been conducted to reduce NOx and smoke emission from diesel engine exhaust gas simultaneously by application of corona discharge type electrostatic precipitator(ESP). The ESP was installed between exhaust gas silencer and outlet terminal of exhaust gas system. The operating conditions as input parameters taken in this experiment were corona power input, gas velocity and equivalence ratio of gas. It was found that the corona discharge type ESP has notable effect on reducing smoke in exhaust gas but appeared to bring slight effect on reducing NOx.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 배기 후처리 정화를 위하여 코로나 방전식 전기 집진기를 갖는 구조로 된 디젤엔진 배출가스 정화장치를 시험 제작하고 이의 PM 및 NOx 에 대한 동시 저감 특성을 평가하고자 한다.

가설 설정

4. 매연은 집진판 전체에 균일하게 부착된다.

제안 방법

디젤 엔진 배기정화용의 ESP를 직접 시험 제작하고 배기가스 중에서 코로나 방전 특성과 NOx 및 PM 저감 성능을 시험 조사한 결과 다음의 결론을 얻었다.
1(b)에는 코로나 방전부의 전극과 집진 부의 전극의 치수를 나타낸다. 방전부 전극의 치수는 lOOMOmm로 하였으며 전극간 간격과 인가전압은 예비실험에서의 확인된 최적 간격 10mm와 최적 전압 +8kV로 하였으며, 방전전류를 극대화하기 위하여 양극선을 2개씩 직렬로 연결하였다.
배기가스의 당량비는 공시연료의 CH 조성비, 가스분석 기 에 의한 잔존산소농도와 CO농도로부터 분석되어진 값을 사용하였으며, 집진기를 통하는 가스의 유속은 동 데이터들에 연료소비량, ESP에서의 가스온도 및 ESP의 통로 단면적으로부터 계산된 값을 사용하였으며 본고에서는 이하 참고 가스 유속(reference gas velocity) 이라 칭한다. 사용된 디젤 엔진의 제원은 Table 1과 같다.
1mm, 길이 100mm 인 스테인리스 선 (stainless steel wire)으로 된 4조의 병렬 양극 전극선과 5개의 음극 스테인리스 판(stainless steel sheet)으로 이루어진다. 음극판과 음극판의 사이에는 테플론(teflon) 절연체를 삽입함으로써 전기적 스파크를 방지함과 동시에 전극판을 지지하도록 하였다. 집진부는 11개의 양극판과 10개의 음극판을 교대로 배치하고 극판 사이에는 운모(mica)를 삽입하여 절연과 지지의 기능을 하도록 하였다.
음극판과 음극판의 사이에는 테플론(teflon) 절연체를 삽입함으로써 전기적 스파크를 방지함과 동시에 전극판을 지지하도록 하였다. 집진부는 11개의 양극판과 10개의 음극판을 교대로 배치하고 극판 사이에는 운모(mica)를 삽입하여 절연과 지지의 기능을 하도록 하였다. 방전부와 집진 부의 가스통로 단면은 100x100mm로 하였다.

대상 데이터

2에는 실험장치의 개략적 구성을 나타낸다. 실험장치는 엔진, ESP로 구성된다. 측정 장치는 동력겨 L 연료유량계, 배기가스분석기 (QUINTOX KANE- MAY 9006) 및 매연 측정기 (smoke meter: G Cussions P8340 이 연구의 공시엔진은 디젤엔진이므로 배기가스 중의 PM 저감 효과를 측정하기 위하여 대신하여 사용됨), 그리고 용적식 연료유 유량계로 구성 된다.

성능/효과

1. 코로나 방전식 집진기에서 코로나 방전량은 통과하는 가스의 참고가스유속의 증가에 따라 대략 선형적으로 증가하며, 당량비의 증가에 따라 완만하게 증가한다.
2. 코로나 방전식 집진기는 디젤엔진의 매연 배출량을 대폭 저감시킬 수 있다. 그러나 매연%저감율을 높게 유지할 수 있는 참고가스유속의 한계점을 가진다.
3. 코로나 방전분위기에서 NOx의 배출 농도는 경미하게나마 감소시킬 수 있다.
그리고 이러한 특성은 코로나 방전식 전기집진기의 방식이 회전수의 증가에 추종하는 집진 성능에 긍정적 효과를 줄 수 있는 특성으로 판단된다.
본 실험에서의 매연%저감율의 추세선은 참고 가스 유속 2.5m/s 이하에서 80%이상의 안정된 매연 저감 성능을 보이고 있으며 그 이상의 유속에서는 매우 저하되는 현상이 나타나고 있다. 이러한 현상은 김은호의 데이터와 상당히 일치하는 것으로서 매연 저감 성능은 배기 유속에 밀접한 의존 관계임을 알 수 있다.
7은 ESP의 ON/OFF 시의 NOx의 배출농도(ppm)를 비교하여 나타낸다. 실험 결과 NOx의 배출농도(ppm)의 엔진 회전수와 토크에 따른 특성은 일반적인 경향을 잘 나타내고 있으며 토크의 증가에 따라 NOx 배출량은 증가 하고 있다. 그러나 회전수의 증가에 따라 증가 경향은 약하게 나타나며 1800rpm에서는 거의 변화가 없다.

후속연구

제시한다. 그리고 사용시간의 경과에 따른 집진장치 성능 저하특성과 이의 재생을 위한 부착 PM 제거기술에 관한 연구 또한 후속 연구로서 진행되어야 할 것으로 사료된다.
앞으로 보다 향상된 집진성능을 실현하기 위하여서는 안정적인 코로나 방전전류를 발생하는, 더욱 높은 인가전압의 ESP 방전부와 제한된 공간 내에서 가능한 한 넓은 집진부의 통로면적과 집진판의 면적의 조건 하에서 운전되는 전기집진기가 필요함을 제시한다. 그리고 사용시간의 경과에 따른 집진장치 성능 저하특성과 이의 재생을 위한 부착 PM 제거기술에 관한 연구 또한 후속 연구로서 진행되어야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

Chang Sik Lee Ki Hyung Lee, Dae Sik Kim, 'Experimental and numerical study on the combustion characteristics of partially premixed charge compression ignition engine with duel fuel', Fuel 82, pp553-560, 2003

상세보기
한국발명진흥회, '자동차 배출가스 후처리장치', 특허청, 2004년도 PM보고서, pp49-63
박재윤, '코로나 방전 시스템을 이용한 연소가스중의 NOx, SOx 제거', The Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers. Vol. 10. No. 8, pp.830- 835, 1997
신귀수, 조성남, 류선열, 김근주, '자동차 배기가스 정화용 건식 고전압 방전 필터의 제작', 한국자동차 공학회. 2004년도 추계 학술대회 논문집 pp.67-71
신귀수, 김창영, 김근주, 오영택, '코로나 방전에 의한 디젤엔진 배기가스 저감특성 평가', 한국자동차 공학회. 2004년도 추계 학술대회 논문집 pp.183-187
하상안, 정장표, '코로나 방전극 구조에 따른 입자상물질의 집진효율에 관한 특성 연구', 대한환경공학회 논문 J. of KSEE, Vol. 21, No.4 pp.677-688, 1999
차민석, 이재옥, '저온 플라즈마와 $NH_3$ SCR 복합공정을 이용한 디젤엔진 배기가스의 NOx 저감 기술', 제25회 KOSCO SYMPOSIUM 논문집, pp.89-95, 2003
김은호, '충격식 코로나 방전 플라즈마를 이용한 배연가스로부터 먼지 제거에 대한 특성', 한국환경과학회지, 제12권(제12호), pp.1261-1267, 2003

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