[논문]충격기류식 여과집진기에서 경험모델을 이용한 최소압력손실의 분사거리 예측

서정민; 박정호; 임우택

doi:10.5322/jes.2011.20.1.25

충격기류식 여과집진기에서 경험모델을 이용한 최소압력손실의 분사거리 예측
The Prediction of Injection Distances for the Minimization of the Pressure Drop by Empirical Static Model in a Pulse Air Jet Bag Filter 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.20 no.1, 2011년, pp.25 - 34

서정민 (부산대학교 지역환경시스템공학과) , 박정호 (진주산업대학교 환경공학과) , 임우택 (안동대학교 응용화학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The new empirical static model was constructed on the basis of dimension analysis to predict the pressure drop according to the operating conditions. The empirical static model consists of the initial pressure drop term (${\Delta}P_{initial}$) and the dust mass number term($N_{dust}=...

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구는 pilot 설비를 이용하여 제철소 coke분진으로 여과 속도, 탈진압력, 탈진간격 분진농도 등 다양한 운전조건에서 압력손실을 예측 비교하고자 하였다. 특히 본 연구에서는 주요 운전조건인 탈진압력을 변화시키면서 설계조건인 여과속도, 입구농도를 변화시켜 압력손실이 최소화되는 최적의 분사거리 및 적정 탈진압력 설정으로 총 압력손실을 제어 할 수 있는 인자를 파악하고 충격기류식 여과집진기의 효율적인 운전조건과 경제적인 설계 기초자료로 활용하고자한다.
16 m범위에서 60개의 실험 데이터로 검정되었다. 이러한 실험은 적정 여과속도와 탈진간격을 고정시키고 노즐에서 벤츄리까지의 최적의 분사거리와 적정 탈진압력을 설정 하기 위해서 실시하였다. 경험모델식 (9)로 각 분사거리에서 두 가지 인자 (K_d and a)로 예측하였다.
따라서 본 연구는 pilot 설비를 이용하여 제철소 coke분진으로 여과 속도, 탈진압력, 탈진간격 분진농도 등 다양한 운전조건에서 압력손실을 예측 비교하고자 하였다. 특히 본 연구에서는 주요 운전조건인 탈진압력을 변화시키면서 설계조건인 여과속도, 입구농도를 변화시켜 압력손실이 최소화되는 최적의 분사거리 및 적정 탈진압력 설정으로 총 압력손실을 제어 할 수 있는 인자를 파악하고 충격기류식 여과집진기의 효율적인 운전조건과 경제적인 설계 기초자료로 활용하고자한다.

제안 방법

이러한 실험은 적정 여과속도와 탈진간격을 고정시키고 노즐에서 벤츄리까지의 최적의 분사거리와 적정 탈진압력을 설정 하기 위해서 실시하였다. 경험모델식 (9)로 각 분사거리에서 두 가지 인자 (K_d and a)로 예측하였다. 이러한 모델인자들을 예측하기위해 실험데이터 (#)와 모델 예측값 (#)을 제곱 오차합 (sum square error)로 최소화시켰다.
따라서 정적인 경험모델은 2가지 인자 (K_d, a)로 압력손실을 예측하였다.
본 실험에 측정한 항목은 dust 부하에 대한 압력손실, 탈진효율 및 포집효율을 측정하였으며 이에 대한 조건들은 다음과 같다.
본 연구에서 처음 제안된 차원분석을 통한 정적경험모델을 사용하여 다양한 운전조건에서 충격기류식 여과집진기의 압력손실을 예측하였다.
본 연구에서는 여과면적 6 ㎡을 가진 pilot 설비를 이용하여 제철소 coke분진으로 다양한 운전조건(filtration velocity, inlet dust concentration, pulse pressure, pulse interval time, and injection distance)을 변화시키면서 압력손실을 측정하였고 차원분석 경험모델을 사용하여 운전변화에 따른 예측 압력손실과 비교 검토하였다.
안정 상태나 시간변화가 없을 때는 사이클 시간을 고려 할 필요가 없다. 본 연구에서는 입자가 미세하여 분진의 중력을 무시하였으므로 F수를 고려하지 않았다. 분진 압력손실 (ΔP_d)은 여과속도 (v_f)와 여과포에 부착된 분진량인 면적분진밀도 (areal dust density, w_o)로 표시 할 수 있으므로
본연구에서는 210분(탈진주기 150∼400 cycle)동안 운전후의 압력 손실값을 사용하였다.
여과집진기의 압력손실 측정은 측정 오차를 줄이기 위해 집진기본체 상하부에 압력계(Dwyer, USA)와 수주마노미터를 동시에 사용하여 측정하였다. 압력손실은 탈진 시 높은 공기압력의 영향으로 순간적으로 하강한 후 1초 이내에 안정된 측정값을 사용하였다.
여과집진기의 압력손실 측정은 측정 오차를 줄이기 위해 집진기본체 상하부에 압력계(Dwyer, USA)와 수주마노미터를 동시에 사용하여 측정하였다. 압력손실은 탈진 시 높은 공기압력의 영향으로 순간적으로 하강한 후 1초 이내에 안정된 측정값을 사용하였다.
일정량의 분진을 여과집진기 내로 주입하기 위해 DC motor (24 V)를 사용하여 가변전압으로 screw 회전속도를 변화시켜 분진량을 조절하는 소형 screw dust feeding방식을 사용하였으며, 분진공급률은 0.5 ∼3 g/m3로 입구 분진농도를 조절하여 주입하였다.

대상 데이터

vf=1.5 m/min, Δt=30 s, 0.5 g/㎥≤c∈≤3.0 g/㎥, Ppulse=4,5,6 ㎏ f/㎠ 그리고 0.05 m≤d≤0.16 m범위에서 60개의 실험 데이터로 검정되었다.
본 실험에 사용된 집진기는 충격기류식 여과집진기로서 분진발생장치, 탈진장치, 여과집진장치 및 흡입식 송풍기로 구성되어 있으며 전체공정도를 Fig. 1에 나타내었다(Jang, 2007; Kim, 2004).
본 연구에서 레이놀드수의 범위는 150<NRe<400이다.
실험에 사용된 여과포는 실제 산업현장에서 가장 널리 사용되고 있는 폴리에스테르 여과포로서 크기는 Ø140 × 850 ℓ이다.
실험용 먼지는 P 제철소 coke 공장의 여과집진장치 에서 포집된 것을 사용하였으며, 입자의 범위는0 µm<dP≤300 µm이고, 평균입경은 57.33 µm, 진비중이 1.78이다.

성능/효과

이는 고농도일 때는 분진이 여과포에서 완전히 제거되지 않고 여과포에 재부착되기 때문인 것으로 판단된다. P_pulse = 6 ㎏_f/㎠에서는 분사거리 d=0.05 m를 제외하면 안정적인 압력 손실을 나타냈으며, 최적의 분사거리에서 효율적으로 제거되지만, 압력손실은 면적분진밀도 (부하량)에 따라 달라지기 때문에 최소탈진압력은 P_pulse= 5 ㎏_f/㎠이상은 필요 한 것으로 판단된다. 분진농도변화에 따른 압력손실을 분사거리별로 Fig.
경험모델에서도 분진저항계수가 분사거리 110 mm에서 최소치를 나타내어 압력손실이 최소임을 알 수 있었다. 그러나 분진질량수의 지수 a는 압력손실의 탄성력(elasticity)으로 압력손실변화에는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다.
5는 경험모델에서 분사거리와 탈진압력에 따른 압력손실과 실험데이터와의 관계를 나타냈다. 두 가지 인자를 고려한 경험모델은 d=0.11 m에서 최소의 압력손실을 나타냈고, 상관계수가 0.914로 좋은 결과를 얻었다.
또한, 실험 데이터는 d=0.05 m를 제외한 저농도 (0.5 g/㎥)에서는 탈진압력에 큰 변화가 없었으나, 농도가 높아질수록 탈진압력의 변화에 따라 압력손실의 변화가 심하게 나타났다. 이는 고농도일 때는 분진이 여과포에서 완전히 제거되지 않고 여과포에 재부착되기 때문인 것으로 판단된다.
여과속도와 탈진압력이 고정된 60개의 데이터로 총 압력손실이 최소화되는 최적의 분사거리(d=0.11 m)를 확인 할 수 있었다. 경험모델에서도 분진저항계수가 분사거리 110 mm에서 최소치를 나타내어 압력손실이 최소임을 알 수 있었다.

후속연구

d=0.11 m 에서 뿐 만아니라, d=0.80 m에서 분진 면적밀도를 줄이기 위한 Δt=30 s이하의 탈진간격으로 압력손실 증가율을 최소화하기 위한 추가적인 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
본 연구에서 제안한 차원분석 경험모델은 여과집진기의 압력손실을 예측 할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만 광범위한 운전조건에서 성능예측의 개선을 위해서 탈진시 제거되지 않는 분진과 탈진후 분진의 재부착 그리고 운전시간변화 등이 고려된 모델이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격 기류식 여과집진기는 무엇인가?	충격 기류식 여과집진기는 산업현장에서 발생하는 입자상 오염물질을 처리하는 가장 일반적인 방법이다(Allen 등, 1999; Dean과 Cushing, 1988; Ellenbecker과 Leith, 1980). 원심력 집진기에서 제거되지 않는 미세입자를 처리하기 위해서 여과집진기를 사용하여왔다 (Gabites 등, 2008).
	함진 가스에 주기적인 탈진이 요구되는 이유는?	함진 가스는 여과포를 통과하면서 여과포 외면에 부착되어지고 이에 부착 분진에 의해 여과포의 압력손실을 증가하게 됨에 따라 주기적인 탈진이 요구된다. 분진 탈진 시스템은 여과포 내부로 높은 분리력이 있는 충격력이 필요하다.
	충격 기류식 여과집진기를 사용해 온 이유는?	충격 기류식 여과집진기는 산업현장에서 발생하는 입자상 오염물질을 처리하는 가장 일반적인 방법이다(Allen 등, 1999; Dean과 Cushing, 1988; Ellenbecker과 Leith, 1980). 원심력 집진기에서 제거되지 않는 미세입자를 처리하기 위해서 여과집진기를 사용하여왔다 (Gabites 등, 2008). 여과집진기의 처리용량은 수 ㎥/hr에서 1,000,000 ㎥/hr정도이며 함진 가스 중의 농도로서는 1 g/㎥ 이하에서 100 g/㎥까지의 다양한 농도범위에서도 이용될 수 있다.

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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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