[논문]분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상

황유성; 김종호; 김종현

doi:10.5572/kosae.2010.26.3.339

분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상
Collection Efficiency Enhancement of Spray Tower Scrubber by Introducing Electrospray with Two-flow Nozzle 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.26 no.3, 2010년, pp.339 - 345

황유성 (한서대학교 환경공학과) , 김종호 (한서대학교 환경공학과) , 김종현 (한서대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

There have been a number of efforts to satisfy national emission regulations and reduce the amount of emitted air pollutants. There are several air pollution control devices, however, only wet scrubber is efficiently used to remove particulate matters and gaseous pollutants, even if it has minimum collection efficiency in the particle size range of $0.1{\sim}1{\mu}m$. This study aimed to improve the collection efficiency of a spray tower type scrubber by introducing an electrospray system with two-flow nozzle. We found that the collection efficiency of a spray tower type scrubber was similar to that of a conventional wet scrubber. However, installation of an electrospray system in the scrubber resulted in drastic further improvement of collection efficiency comparing to that of a conventional scrubber, which is 26%, 35.2%, and 45.1% at the liquid to gas ratio of 0.26 $L/m^3$ and 19.9%, 35.1%, and 42.5% at 0.34 $L/m^3$ for the applied voltage of -30 kV, -35 kV, and -40 kV, respectively. Therefore, we found that the introduction of an electrospray system is very effective to improve the collection efficiency of a spray tower type scrubber.

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문제 정의

본 연구에서는 습식 스크러버의 집진효율을 향상시키는 하나의 방안으로 정전분무 노즐을 이용하는 방법을 실험적으로 고찰하였다. 기존 분무탑 형태의 스크러버에서 이류체 노즐에 고전압를 인가하여 분진의 집진효율을 향상시키는 실험을 수행하였다.
본 실험에서는 연구의 목적에 맞게 분무탑식 스크러버의 집진효율을 이류체 분무노즐에 고전압을 인가하는 방식으로 향상시키기 위하여 분무노즐에 -30, -35, -40 kV의 고전압을 인가하면서 집진효율을 측정하였다. 이와 더불어 정전분무에 사용되는 물 분사량에 따른 집진효율을 파악하기 위하여 분무량을 320, 420 mL/min로 변화시키면서 집진실험을 수행하였다.
본 연구에서는 기존의 분무탑식 스크러버에서 이류체 노즐에 고전압을 인가하여 분진의 집진효율을 향상시켰다.
본 연구에서는 습식 스크러버의 집진효율을 향상시키는 하나의 방안으로 정전분무 노즐을 이용하는 방법을 실험적으로 고찰하였다. 기존 분무탑 형태의 스크러버에서 이류체 노즐에 고전압를 인가하여 분진의 집진효율을 향상시키는 실험을 수행하였다.
이류체 분무는 공기량으로 액적의 크기를 조절하고, 공기유동으로 여러 분무형상을 만들 수 있어 여러 산업분야에서 이용되고 있다. 이러한 이류체 노즐에 고전압을 인가하여 인가전압이 높아지면 분무되는 액적의 크기가 작아지면서 액적의 하전량도 커지며, 분무되는 액적의 평균속도가 커지는 것으로 알려져 있으며(Kim and Bae, 2001), 이러한 특성을 스크러버의 집진효율 향상을 위해 적용해 보고자 한다.

제안 방법

본 연구를 위하여 그림 1과 같이 실험실규모의 청정풍동에 분무탑형식의 스크러버 시스템을 제작하였다. 본 실험은 작은 입자의 농도가 중요한 요소이기 때문에 실험장치의 내부를 청정상태로 유지하기 위해 공기 유입부에 HEPA filter를 설치하였다. 그리고 실험용 먼지의 발생장치, 정전분무노즐, 미스트제거장치(demister) 순서로 구성하였다.
본 연구를 위하여 그림 1과 같이 실험실규모의 청정풍동에 분무탑형식의 스크러버 시스템을 제작하였다. 본 실험은 작은 입자의 농도가 중요한 요소이기 때문에 실험장치의 내부를 청정상태로 유지하기 위해 공기 유입부에 HEPA filter를 설치하였다.
본 실험에서는 연구의 목적에 맞게 분무탑식 스크러버의 집진효율을 이류체 분무노즐에 고전압을 인가하는 방식으로 향상시키기 위하여 분무노즐에 -30, -35, -40 kV의 고전압을 인가하면서 집진효율을 측정하였다. 이와 더불어 정전분무에 사용되는 물 분사량에 따른 집진효율을 파악하기 위하여 분무량을 320, 420 mL/min로 변화시키면서 집진실험을 수행하였다.
정전분무 스크러버는 250 mm (H)×250 mm (W)×800 mm (L)의 크기이며, 그림 1에 나타낸 것처럼 가스의 흐름 방향으로 노즐을 설치하여 물을 분사하며, 후단에 스텐인레스 스틸 재질의 미스트제거장치(Demister)를 설치하였다.
송풍기는 터보팬으로 최대풍량은 5 m³/min이며 invertor로 조절할 수 있다. 정전분무노즐은 이류체 노즐로서 물을 약 400 mL/min, 공기를 2 kg/cm² 압력으로 분사하며, 고전압발생장치(KSH P40/5CN, 한국스위칭)는 음 (-)전압을 0~-40 kV까지 인가시킬 수 있도록 제작하였다.

대상 데이터

본 실험은 작은 입자의 농도가 중요한 요소이기 때문에 실험장치의 내부를 청정상태로 유지하기 위해 공기 유입부에 HEPA filter를 설치하였다. 그리고 실험용 먼지의 발생장치, 정전분무노즐, 미스트제거장치(demister) 순서로 구성하였다.
실험용 입자는 1,1,3,3-tetramethyl disiloxane((CH₃)₂SiH)₂O, Aldrich)을 임핀저에 주입하고 질소가스로 bubbling하여 TMDS 증기를 공기와 함께 튜브형 전기로 (F-1000, 서주과학)를 통과시킴으로 SiO₂, SiO₄의 형태로 발생시켰다. 증기상태로 전기로에 들어간 TMDS는 산화과정을 거쳐서 안정한 산화물을 형성한 후, 포화 증기농도 이상으로 존재하는 산화물은 핵생성 (Nucleation), 응축 (Condensation), 응집 (Coagulation) 과정을 거치면서 입자로 성장하게 된다(Hwang, 2010; Lee et al.

데이터처리

발생된 입자의 측정은 in-stack cascade impactor(series 220, Sierra instruments, Inc.)를 이용하였으며, 시료를 3회 측정하여 평균값으로 중량농도를 산출하였다.

이론/모형

정전분무노즐에 인가된 전류-전압의 측정은 Oscilloscope (TDS 2014B, Tektronix)를 이용하였으며, 측정결과는 그림 4에 나타냈다.

성능/효과

1. 기존의 분무탑식 스크러버의 집진효율이 액기비 0.26, 0.34 L/m³ 조건에서 각각 33.8%, 52.7%로 측정되었으며, 분무노즐에 -40 kV의 고전압을 인가하였을 때는 78.9%와 90.2%의 집진효율을 나타내, 각각 45.1%와 37.5%의 집진효율 향상을 시켰다.
2. 입경별 집진효율은 액기비 0.34 L/m3 조건에서 실험을 수행하였는데, 0.1~1.0 μm 영역의 집진효율이 30%에서 분무노즐에 -40 kV의 고전압을 인가하였을 때 90.2%로 향상되었다.
그림 7에 이류체 노즐에 고전압이 -30 kV, -35 kV, -40 kV로 높아짐에 따라 입경별 집진효율의 향상을 나타내었는데, 0.3 μm 입자의 집진효율이 단순히 물만 분무했을 때보다 약 55.5%까지 향상되는 것을 볼 수 있었다.
기하평균 (geometric mean)과 기하편차(geometric standard deviation)는 그림 3에 나타낸 것과 같이 누적확률지를 이용하여 산출하였으며, 기하평균이 0.4 μm, 기하표준편차가 1.45로 나타났다.
이류체 노즐에 인가되는 노즐의 전압이 높아짐에 따라 전류값도 서서히 증가하여 -40 kV (물 분사량, 420 mL/min)를 인가했을 때 22 μA 전류가 측정되었다. 또한 물 분무량이 많아지면 비교적 낮은 전압에서는 비슷한 전류량으로 측정되었으나, -25 kV보다 높은 전압을 인가하면 분무량이 많은 경우에 좀 더 많은 전류량이 측정되었다.
본 연구에서 이류체 노즐에 인가된 고전압으로 인하여 액적의 크기가 작아지며(Kim and Bae, 2001), 같은 유량이 분무될 때 액적의 크기가 작아지므로 액적의 갯수가 많아져서 집진효율이 증가한 것으로 사료된다.
액기비가 0.26 L/m³이고, 물만 분무했을 때와 분무노즐에 고전압을 -30 kV, -35 kV, -40 kV로 인가하였을 때, 집진효율은 각각 33.8%, 59.8%, 69.0%, 78.9%로 측정되었다. 또한 액기비가 0.
액기비가 0.26 L/m³일 때보다 0.34 L/m³일 때 집진효율이 높은 것으로 나타났고, 인가전압이 커질수록 집진효율이 높은 것으로 나타났다.
정전분무를 하지 않았을 때의 총 집진효율은 45.5% 정도이며, 입경별 집진효율은 0.1~1.0 μm의 영역이 전체적으로 낮게 나타났고 약 0.3 μm 크기의 집진효율은 아주 낮은 30% 정도이다.

후속연구

따라서 먼지의 배출허용기준을 만족시키지 못하는 분무탑식 스크러버에서, 기존의 이류체 분무노즐에 고전압을 인가하는 방법을 도입하여 배출허용기준을 만족할 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 산업계에서 많이 사용하는 습식 스크러버의 종류는 무엇인가?	일반적으로 산업계에서 많이 사용하는 습식 스크러버의 종류로는 분무탑 (spray tower)식, 충전탑(packed tower)식, 와류 (vortex)식, 벤투리 (venturi)식이 있다. 이중 분무탑식, 충전탑식 스크러버의 집진효율은 작은 입자에 대해 비교적 낮은 것으로 알려져 있다(Cooper and Alley, 2002).
	먼지를 처리하는 장치로는 무엇이 있는가?	먼지를 처리하는 장치로는 여과집진장치, 전기집진기, 스크러버 등이 있으며, 이 중 습식 스크러버는 처리가스 중의 먼지와 세정액을 접촉시켜 먼지을 제거하기 때문에 세정액을 별도로 처리해야 하는 문제점이 있다. 그러나 세정액을 사용하기 때문에 오히려 폭발성이 있는 위험한 먼지의 제거와 가스상 오염물질과의 효과적인 처리 측면에서 많이 이용되고 있는 처리장치이다(Kim, 1999).
	습식 스크러버는 어떤 경우에 많이 이용되고 있는 처리장치인가?	먼지를 처리하는 장치로는 여과집진장치, 전기집진기, 스크러버 등이 있으며, 이 중 습식 스크러버는 처리가스 중의 먼지와 세정액을 접촉시켜 먼지을 제거하기 때문에 세정액을 별도로 처리해야 하는 문제점이 있다. 그러나 세정액을 사용하기 때문에 오히려 폭발성이 있는 위험한 먼지의 제거와 가스상 오염물질과의 효과적인 처리 측면에서 많이 이용되고 있는 처리장치이다(Kim, 1999).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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