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문제 정의
- 본 연구는 기 - 고 분리용 싸이클론에 간단한 부가장치를 부착하여 입자상 오염물질과 가스상 오염물질을 동시에 제어하는 시스템을 개발하기 위한 목적으로 실시하였다. CFD 계산 결과 주 싸이클론의 유출 부에도 약 70% 이상 선회류 효과가 남아 있으므로> 우츠부에 입자상 물질을 주입하면 상부의 잔존하는 원심력장에서 일정량 이상을 재 회수할 수 있을 것으로 기대하였다.
- 따라서 흡착제 입자와 악취성 유체의 접촉효율을 극대화할 수 있는 조건을 파악하여 현장 운전에 적용하면 악취물질과 입자상 분진을 사전에 동시 제어할 수 있는 공정으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 신개념 장치의 분리 메카니즘을 검증하고자 하였는 바, 본 장치에 적합한 고비중의 흡착제를 활용할 경우 흡착제 재 활용율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 주 싸이클론으로부터 상승하는 선회류에 의해 입자 주입부에 음압이 형성됨으로써 흡착제는 장치 내부로 자연 흡인될 수 있도록 구성하였다. 공급된 흡착제 입자는 주 싸이클론 상부의 PoC로 상승하며 원심력에 의해 주 유체흐름으로부터 분리되어 PoC 외실에 모아지게 되는 냐卜 회수되는 양을 확인하여 비교하였다.
- 본 연구에서는 이전 연구에 준하여 PoC 높이를 15 cm로 하였으며, 이는 주 싸이클론의 규격을 토대로 CFD 계산과 사전연구를 통하여 선정된 것이다(조영민, 1으99). 따라서 이러한 전산 모사기법을 통하여 얻어진 정보로부터 싸이클론 유출부에 주입하는 흡착제 입자는 강한 선 회류 흐름에 실려지고 PoC 내부에 조성되는 원심력장에서 유체로부터 분리된 후, 외실에서 회수될 수 있도록 설계하였다.
- 또한 미세분진의 포집효율을 계산하여 싸이클론 집진장치의 기본 성능을 확인한 후, 활성탄 홉착제를 투입해가며 가스 흐름으로부터 톨루엔을 홉착 분리하는 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 내경 5mm인 스테인레스 관을 주 싸이클론 유출부 (vortCK fkider)에 삽입하여 입자상 흡착제를 공급하였다. 주입관을 삽입하는 위치는 그림 2에 도■시한 것과 같이 주 싸이클론의 벽면을 통과하여 유출부 하단에 주입관을 연결하였으며, 그림 7에 도시한 바와 같이 중심부(center), 접선부(tangential), 벽면 (wall)의 세 가지 연결 방법을 선정하여 가스 흡착효과와 주입된 흡착제의 회수율을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 이러한 싸이클론 보조장치를 이용하여 유해가스나 악취성 물질을 활성탄 흡착제를 이용하여 제거하는 실험을 수행하였다. 실험연구에 앞서 3차원 전산 수치해석 기법을 이용하여 본 연구에서 적용하고자 하는 싸이클론 규격에 준하여 장치 내에서의 유체흐름을 관찰하여 결과해석에 활용하였다
- 분진시료는 보령 화력발전소에서 배출되는 석탄회를 사용하였고, 진공건조기 (vaciium twen)에 2시 간 동안 보관함으로써 수분에 의한 시험결과의 오차를 줄이고자 하였다, 주 싸이클론의 hopper와 PoC에 포집된 분진은 레 이저 회절법 (laser diffraction method) 의 원리를 이용한 입도분석기 (M지vem, Master 血既 ■S)를 사용하여 크기를 측정하였다. 측정한 결과 분진은。.
- (HCT, Powder generator4860). 시험에 사용되는 활성탄의 기초성능을 평가하기 위하여 가스분석 장비인 GC/FID (Shimadzu, GC-2010)를 이용하여 톨루엔의 흡착능을 확인하였다. 시험용 반응기는 직경 3em, 높이 16cm로 준비하였으며, 톨루엔 농도를 200~300 ppm으로 조절하였고, 1~21pm의 유량으로 공급하면서 관찰하였다.
- 시험에 사용되는 활성탄의 기초성능을 평가하기 위하여 가스분석 장비인 GC/FID (Shimadzu, GC-2010)를 이용하여 톨루엔의 흡착능을 확인하였다. 시험용 반응기는 직경 3em, 높이 16cm로 준비하였으며, 톨루엔 농도를 200~300 ppm으로 조절하였고, 1~21pm의 유량으로 공급하면서 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 활성탄의 비표면적은 855 m홍/g 이고겉보기 비중은 0.
- 제거하는 실험을 수행하였다. 실험연구에 앞서 3차원 전산 수치해석 기법을 이용하여 본 연구에서 적용하고자 하는 싸이클론 규격에 준하여 장치 내에서의 유체흐름을 관찰하여 결과해석에 활용하였다
- 싸이클론(3) 으로 유입되는 유량은 미세분진 집진장치 후단에 설치한 유량계 (5)로 측정하였으며, 2001pm(9.8 m/s)에서 4001pm(19.5 m/s)의 범위 내에서 조절하였다. 실험에 사용한 싸이클론은 투명 아크릴 재질로 제작하여 장치내부에서의 분진흐름을 육안으로 확인할 수 있었다.
- 연구는 우선 시험장치와 동일한 규격의 싸이클론과 PoC를 선정하여 유체흐름을 이론적으로 파악하였다. 또한 미세분진의 포집효율을 계산하여 싸이클론 집진장치의 기본 성능을 확인한 후, 활성탄 홉착제를 투입해가며 가스 흐름으로부터 톨루엔을 홉착 분리하는 실험을 실시하였다.
- 이러한 입자 회수 효과를 이용하여 입자상 흡착제를 주 싸이클론 유출부에 주입하여 악취성 가스인 톨루엔을 흡착하는 실험을 실시하였는 봐, 유입농도와 흡착제 주입량, 유속 등에 따라 50~80%의 톨루엔 흡착제거 효율을 구하였다. 따라서 흡착제 입자와 악취성 유체의 접촉효율을 극대화할 수 있는 조건을 파악하여 현장 운전에 적용하면 악취물질과 입자상 분진을 사전에 동시 제어할 수 있는 공정으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 2를 사용하였다. 주 싸이클론의 내부로 유입되는 공기의 입구속도가 9.8, 14.7m/s, 19.5m/s 인 경우에 대하여 유동형태를 관찰하고, 각 위치에서의 접선속도를 계산하였다.
- 주 싸이클론의 유출부를 통하여 공급하는 흡착 활성탄 입자의 공급량은 그림 2의 (8) '입자공급장치' 의 회전력을 조절하여 비산되는 입자량을 변화시킴으로써 조절하였다(1丄 L7, 2.0mg/L).
- 공급하였다. 주입관을 삽입하는 위치는 그림 2에 도■시한 것과 같이 주 싸이클론의 벽면을 통과하여 유출부 하단에 주입관을 연결하였으며, 그림 7에 도시한 바와 같이 중심부(center), 접선부(tangential), 벽면 (wall)의 세 가지 연결 방법을 선정하여 가스 흡착효과와 주입된 흡착제의 회수율을 관찰하였다. 주 싸이클론으로부터 상승하는 선회류에 의해 입자 주입부에 음압이 형성됨으로써 흡착제는 장치 내부로 자연 흡인될 수 있도록 구성하였다.
- 한편 분진과 동시에 발생하여 기 - 고 싸이클론에 유입되는 톨루엔의 실시간 농도는 양쪽 끝이 가늘게 되어 있는 관으로 기체 채취용 펌프를 장치하여 피검 성분 기체의 농도를 구하는 분석정밀도가 비교적 좋으며 소형인 5~ 690 ppm 범위의 톨루엔용 검지관 (Gastec, No. !22)을 이용하여 주 짜이클론의 유입구 (®)4 PoC 유출구(①))에서 측정비교하였다.
대상 데이터
- 측정한 결과 분진은。. 05~ 까지 분포되어 있었으며, 시험용 가스로는 도료의 용제로 사용되는 시너 (Ahim用]')의 주성분 중 하나인 톨루엔 가스를 선정하였다. 공업용 활성탄(가야활성탄공업) 올 사용하여 톨루엔의 흡착 효과를 관찰하였으며, 활성탄 입자는 70% 이상이 20 Jim 이하의 크기로 구성되어 있었으며, 입자의 평균 크기는 약 17]丄m 이다'
- 설정할 필요가 있다. 본 연구에서는 이전 연구에 준하여 PoC 높이를 15 cm로 하였으며, 이는 주 싸이클론의 규격을 토대로 CFD 계산과 사전연구를 통하여 선정된 것이다(조영민, 1으99). 따라서 이러한 전산 모사기법을 통하여 얻어진 정보로부터 싸이클론 유출부에 주입하는 흡착제 입자는 강한 선 회류 흐름에 실려지고 PoC 내부에 조성되는 원심력장에서 유체로부터 분리된 후, 외실에서 회수될 수 있도록 설계하였다.
- 실험에 사용된 싸이클론은 고효율 Stairmand식 표준 설계 조건 (몸통직경: 6 cm)에 준하여 제작하였디.(Staim询id, 1951).
- 5 m/s)의 범위 내에서 조절하였다. 실험에 사용한 싸이클론은 투명 아크릴 재질로 제작하여 장치내부에서의 분진흐름을 육안으로 확인할 수 있었다. 입자시료를 주입하는 parti이e feeder(8)는 공기의 유량 및 진동수를 디지털로 조절하여 안정적으로 장치내로 공급해 주는 역할을 한다.
- 실험에 사용한 흡착제는 공업용 활성탄으로서 현장 적용성을 염두에 두고 적용하였기 때문에 실험실용 시 약급 시료에 비하여 순도가 낮은 바, 총괄 흡착 효율이낮게 나타날 것으로 사료된다.
데이터처리
- 기체와 입자의 운동량 교환이 입자 거동에 미치는 영향을 고려하는 Lagrangian 운동 방정식을 적용하였다. 계산은 상용 CFD코드인 FLUENT 6.2를 사용하였다. 주 싸이클론의 내부로 유입되는 공기의 입구속도가 9.
이론/모형
- 사용하였다. 기체와 입자의 운동량 교환이 입자 거동에 미치는 영향을 고려하는 Lagrangian 운동 방정식을 적용하였다. 계산은 상용 CFD코드인 FLUENT 6.
- 도시한 것이다. 모형도 실험장치 규격에 준하여 작성하였다. 수치계산을 위하여 격자는 주 싸이클론의 유입부와 몸체가 맞닿은 부분은 격자의 비틀림 이 심하므로 wed흠。격자를 사용하였으며, 나머지 모든 영역에서는 정렬격자를 사용하였다(용정권 등, 2008).
- 컴퓨터를 이용한 전산모사를 통하여 싸이클론과 PoC 내부에서의 유체흐름형태와 각각의 체류 시간을 관찰하였다' 본 연구에서는 싸이클론 난류의 비등방성 성질을 효과적으로 해석할 수 있는 Reyn이ds stress model(RSM)을 사용하였다. 기체와 입자의 운동량 교환이 입자 거동에 미치는 영향을 고려하는 Lagrangian 운동 방정식을 적용하였다.
성능/효과
- 실시하였다. CFD 계산 결과 주 싸이클론의 유출 부에도 약 70% 이상 선회류 효과가 남아 있으므로> 우츠부에 입자상 물질을 주입하면 상부의 잔존하는 원심력장에서 일정량 이상을 재 회수할 수 있을 것으로 기대하였다.
- 그러나 전체적인 입자 회수율은 40~55%에 머무르고 있다. 관성력을 이용하는 장치에서 입자의 크기와 비중이 분리효율에 큰 영향을 끼치는데 본 연구에서 사용하는 활성탄 입자는 상대적으로 미세한 크기와 낮은 비중으로 인하여 원심력 장에서의 분리회수가 낮은 것으로 사료된다. 따라서 회수율을 향상시키기 위하여 PoC의 구조와 크기, 입자주입시 가속효과 추가와 같은 보완 연구가 계속될 필요가 있다.
- 2002), PoC 내부에서 유체는 약 丄7회 정도 선회하는 모습을 확인 할 수 있었다. 또한 PoC 내부를 통과하는 평균 시간은 주 싸이클론의 유입속도가 9.8m/s일 때, 약 0.5초 19.5 m/s일 때에는 약 0.2초인 것으로 나타났다. 유입 속도가 증가함에 따라 공간 체류시간은 감소하지만 싸이클론 내에서 유체의 선회 횟수는 일정한 것을 확인할 수 있었으며, 유입속도가 증가할수록 강한 선 회류가 발생한다는 것을 알 수 있었다.
- 또한 동일한 흡착제 주입량에 대하여 같은 농도의 톨루엔을 주입하였을 경우에는 주 싸이클론스로 유입되는 속도를 9.8, 14.7, 19.5m/s로 변경시켜가며 측정해본 결과 9.응m/s일 때보다 19.5m/s일 때 높은 톨루엔 흡착효율을 확인할 수 있었다 즉 동일한 조건에서는 보다 강한 난류 흐름이 조성될 때 가스상 톨루엔과 입자상 활성탄 흡착제의 혼합효과가 향상된다. 그러나 동시에 상대적인 체류시간이 감소하므로 실질적인 접촉확률 및 흡착반응 시간은 0.
- 이러한 원심력 효과는 PoC를 빠져나가는 지점으로 이동하면서 접선속도가 급격히 낮아진다, 주 싸이클론 내에서 접선속도는 유체의 유입속도와 비례적 인 관계에 있으며, PeC 역시 유입속도가 증가할수록 접선속도가 크게 나타났다. 본 연구에서 계산한 수치해석 결과에서도 접선속도 값을 기준으로 볼 때 유입유속에 따라 차이가 있었지만 최대 움5% (9.8 m/s)에서 71% (19.5 m/s)까지 원심력 효과가 잔존하고 있었다.
- 실험결과에서 볼 수 있듯이 톨루엔의 농도가 높을수록 흡착효율은 낮게 나타나며, 흡착제 단위 질량 당 흡착되는 가스의 몰수를 의미하는 흡착능은 꾸준히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 동일한 유속에 있어서 같은 양의 흡착제가 공급될 경우, 가스 제거율은 가스의 농도에 반비례하는 결과가 도출되었다.
- 연구결과 보조장치 (PoC)는 주 싸이클론의 유출 부에 주입한 활성탄 고체입자를 주입 위치에 따라 40 %에서 55%까지 회수되는 것으로 나타났다. 이러한 입자 회수 효과를 이용하여 입자상 흡착제를 주 싸이클론 유출부에 주입하여 악취성 가스인 톨루엔을 흡착하는 실험을 실시하였는 봐, 유입농도와 흡착제 주입량, 유속 등에 따라 50~80%의 톨루엔 흡착제거 효율을 구하였다.
- 유입속도에 따라 장치의 각 위치에서 포집되는 입자의 크기가 조금씩 차이가 났으며, 원심력 집진장치에서 일반적으로 나타나듯이 유속증가에 따른 관성력 증가로 포집되는 입자의 크기는 감소하였다. 유속이 높을수록 하부싸이클론의 포집효율이 증가하고, 포집입자의 평균 입경 이 감소하였다. 따라서
- 2초인 것으로 나타났다. 유입 속도가 증가함에 따라 공간 체류시간은 감소하지만 싸이클론 내에서 유체의 선회 횟수는 일정한 것을 확인할 수 있었으며, 유입속도가 증가할수록 강한 선 회류가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 즉 강한 선 회류장은 높은 접선속도 분포를 유도하며, 원심력에 의한 입자의 분리효율을 향상시킬 것으로 기대된다.
후속연구
- 관성력을 이용하는 장치에서 입자의 크기와 비중이 분리효율에 큰 영향을 끼치는데 본 연구에서 사용하는 활성탄 입자는 상대적으로 미세한 크기와 낮은 비중으로 인하여 원심력 장에서의 분리회수가 낮은 것으로 사료된다. 따라서 회수율을 향상시키기 위하여 PoC의 구조와 크기, 입자주입시 가속효과 추가와 같은 보완 연구가 계속될 필요가 있다.
- 이러한 입자 회수 효과를 이용하여 입자상 흡착제를 주 싸이클론 유출부에 주입하여 악취성 가스인 톨루엔을 흡착하는 실험을 실시하였는 봐, 유입농도와 흡착제 주입량, 유속 등에 따라 50~80%의 톨루엔 흡착제거 효율을 구하였다. 따라서 흡착제 입자와 악취성 유체의 접촉효율을 극대화할 수 있는 조건을 파악하여 현장 운전에 적용하면 악취물질과 입자상 분진을 사전에 동시 제어할 수 있는 공정으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 신개념 장치의 분리 메카니즘을 검증하고자 하였는 바, 본 장치에 적합한 고비중의 흡착제를 활용할 경우 흡착제 재 활용율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 유입 속도가 증가함에 따라 공간 체류시간은 감소하지만 싸이클론 내에서 유체의 선회 횟수는 일정한 것을 확인할 수 있었으며, 유입속도가 증가할수록 강한 선 회류가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 즉 강한 선 회류장은 높은 접선속도 분포를 유도하며, 원심력에 의한 입자의 분리효율을 향상시킬 것으로 기대된다.
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