[논문]싸이클론과 배플 및 백필터 원리를 결합한 하이브리드형 집진기의 최적화 설계를 위한 수치해석

홍성길; 정유진; 임기혁; 유정근; 손병현

doi:10.5762/kais.2013.14.2.983

싸이클론과 배플 및 백필터 원리를 결합한 하이브리드형 집진기의 최적화 설계를 위한 수치해석
A Numerical Study on an Optimum Design of a Hybrid Collector Coupled with the Principle of Cyclone, Baffle and Bag-Filter 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.2, 2013년, pp.983 - 989

홍성길 (씨이테크(주) 연구개발센터) , 정유진 (씨이테크(주) 연구개발센터) , 임기혁 (한서대학교 환경공학과) , 유정근 (한서대학교 화학공학과) , 손병현 (한서대학교 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 하나의 장치 내에서 "싸이클론-관성충돌-여과포 집진"이 동시에 이루어지는 멀티 집진기의 집진 효율을 극대화시키기 위한 설계 조건을 검토하였다. 먼저 싸이클론의 입구 형상에 대한 수치 해석 결과, 접선 유입식 입구에 가이드 베인을 추가로 설계한 경우 선회류의 회전수가 많고 강하게 형성되어 사이클론부에서 조대입자의 유선 이탈을 촉진시키는데 매우 효과적인 것으로 예측되었다. 그러나 사이클론의 하단부가 벤츄리 모양이기 때문에 약 4~5 m/s의 강한 하향 흐름이 호퍼 하단까지 지속되어 분진의 재비산 가능성이 있는 것으로 나타났다. 이에, 사이클론부 하단의 벤츄리를 제거하며 분진 재비산 문제는 해소 가능할 것으로 나타났다. 충돌 차단형 배플의 간격을 조정하여 통과유속을 빠르게 한 결과, 충돌 효과는 더욱 증가할 것으로 예측되었으나 탈리 분진이 간섭을 받을 수 있는 문제점이 예상되어 배플은 기본 설계안대로 유지하는 것이 바람직할 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The current research reviewed the design conditions that would maximize the efficiency of the hybrid collector that combines in one unit "cyclone-inertial impaction-bag filter". The computational analysis for the shape of cyclone entry predicts that a design that installs the guide vane at the entry of the tangential type cyclone brings a high-rpm and powerful vortex, very effective in promoting the deflection of coarse particles from the streamline at the cyclone. As the lower part of the cyclone is venturi-shaped, however, a strong flow downward of 4 to 5 m/sec persists through the lower part of the hopper, revealing the likely reentrainment of collected dust. And the removal of the venturi at the lower part of the cyclone would solve the problem of the reentrainment of collected dust. The acceleration of the flow velocity through the adjustment of the gap of the collision baffle would increase the effect of collision, but as the interference with the dust separation is expected, the original design should be kept for the baffle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig. 1과 같이 하나의 장치 내에서 “싸이클론 집진, 관성충돌, 여과포 집진”이 순차적으로 이루어져 입경 분포별로 집진이 가능한 멀티 집진기를 개발하고자 한다.
아울러 관성충돌용 배플에 대한 형상을 검토하기 위해 배플 제원을 변경하여 3차 전산해석을 수행하였다. 이와 같은 전산해석 결과를 바탕으로 최적 조업 조건을 유지할 수 있는 멀티 집진기의 상세 설계 및 제작에 반영하고자 한다.

가설 설정

필터백은 porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다[6].

제안 방법

그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다[4]. 또한 수렴성을 좋게 하기 위해 하향 이완법을 사용하였다. 수치해석에 필요한 기본 방정식이 비선형이므로 반복에 의한 해의 수렴이 필요하다.
싸이클론과 백필터를 결합하여 복합화 할 경우 발생 가능한 문제들을 해결하기 위해, 멀티 집진기의 1단계 집진과정인 조대입자의 유선이탈을 촉진할 수 있는 싸이클론의 입구 형상 설계를 위해 전산해석을 1차로 수행하였다. 또한, 싸이클론부 하단에 설치한 벤츄리의 영향으로 분진 재비산 가능성이 제기되어 이를 해결하기 위해 사이클론 하단부에 벤츄리 설치 유․무에 대한 효과를 2차 전산해석을 통해 검토하였다. 아울러 관성충돌용 배플에 대한 형상을 검토하기 위해 배플 제원을 변경하여 3차 전산해석을 수행하였다.
6은 싸이클론부의 벤츄리 구간에서 기류 가속에 의한 분진의 재비산 문제를 해결하기 위해 벤츄리를 제거한 후 전산해석을 수행한 결과이다. 벤츄리 설치 유무에 따른 유동 현상 비교를 용이하게 하기 위해 case-2의 결과와 함께 비교하였다. Fig.
8에서 (a)는 설계도면의 top view, (b)는 front view를 나타낸 것이다. 본 연구 결과를 바탕으로 유입구는 접선 유입식으로 설계하고 가이드 베인을 추가로 설치하였으며, 벤츄리는 설치하지 않았다. 또한, 배플의 제원은 기본 설계안을 유지하는 것으로 결론지었다.
싸이클론과 백필터를 결합하여 복합화 할 경우 발생 가능한 문제들을 해결하기 위해, 멀티 집진기의 1단계 집진과정인 조대입자의 유선이탈을 촉진할 수 있는 싸이클론의 입구 형상 설계를 위해 전산해석을 1차로 수행하였다.
또한, 싸이클론부 하단에 설치한 벤츄리의 영향으로 분진 재비산 가능성이 제기되어 이를 해결하기 위해 사이클론 하단부에 벤츄리 설치 유․무에 대한 효과를 2차 전산해석을 통해 검토하였다. 아울러 관성충돌용 배플에 대한 형상을 검토하기 위해 배플 제원을 변경하여 3차 전산해석을 수행하였다. 이와 같은 전산해석 결과를 바탕으로 최적 조업 조건을 유지할 수 있는 멀티 집진기의 상세 설계 및 제작에 반영하고자 한다.

대상 데이터

3은 유동해석을 위한 집진기 본체 모델(Full domain, 1:1 scale)과 수치 계산을 위한 격자 형성(grid configuration) 모습을 나타낸 것이다. 격자는 총 1,095,824개를 사용하였다.

이론/모형

이는 대류항에 대해 인공적인 확산 즉, 수치확산을 도입한 것으로서 안정된 해를 구할 수 있다. 그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다[4]. 또한 수렴성을 좋게 하기 위해 하향 이완법을 사용하였다.
본 연구에서는 FLUENT를 사용하였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법을 사용한다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식을 이용하여 수행하였다. 이는 대류항에 대해 인공적인 확산 즉, 수치확산을 도입한 것으로서 안정된 해를 구할 수 있다.
본 연구에서는 FLUENT를 사용하였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법을 사용한다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식을 이용하여 수행하였다.
Table 1에 멀티 집진기의 기본 설계 조건을 나타내었다. 분진의 재비산을 방지하기 위해 상승속도를 0.32 m/s로 설계하였으며, 탈진 시스템은 충격 기류형(pulse air jet type) 방식을 적용하였다. Pulsing은 타이머 방식이 아닌 차압 상승에 따른 운전 방식으로 적용하여 50 mmAq에 도달하면 압축공기를 분사토록 구성하였다.

성능/효과

1. 멀티 집진기의 입구를 접선 유입식으로 설계하고 가이드 베인을 추가로 설치하면 싸이클론부에서 강한 선회류가 형성되어 조대입자의 유선 이탈을 촉진시키는 데 매우 효과적일 것으로 예측되었다.
2. 사이클론부 하단을 벤츄리 형상으로 설계할 경우, 처리가스가 가속되어 호퍼 하단까지 강한 하향 흐름을 형성하므로 분진의 재비산 가능성이 예측되었다.
3. 벤츄리없이 설계한다면 처리가스가 호퍼 하단으로는 크게 영향을 미치지 않는 것이므로 벤츄리는 설치하지 않는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4. 최종 설계안에 대한 집진기에서 출구 덕트로의 기류 쏠림 현상은 존재하나 이미 여과 기류가 대부분 균일한 분포로 백필터를 통과한 후 플레넘 부근에서 편차가 발생하므로 조업에 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 판단된다.
5. 본 연구의 멀티 집진기는 백필터 단일 운전시보다 차압 상승속도가 느리므로 탈진에 필요한 압축공기 소모량(동력비)을 줄일 수 있고 또한 필터백의 교체 주기를 연장할 수 있어 조업 비용의 절감이 클 것으로 판단된다.
단, 벤츄리의 설계 의도와는 달리 싸이클론부 하단의 벤츄리를 통과한 처리가스가 호퍼 하단까지 약 4∼5 m/s의 강한 하향 흐름을 형성하고 있어 탈리 분진의 재비산 문제가 발생할 가능성이 클 것으로 예상되었다.
또한 case-1의 선회류 pitch가 길어 회전수가 case-2에 비해 적음을 알 수 있다. 따라서 싸이클론부에서 조대 입자의 유선 이탈을 촉진시키기 위해서는 선회류의 회전 수가 많아야 하므로 멀티 집진기의 입구 형상은 접선 유입식으로 설계하고 가이드 베인을 설치하는 case-2의 방안이 바람직할 것으로 예측되었다. 단, 벤츄리의 설계 의도와는 달리 싸이클론부 하단의 벤츄리를 통과한 처리가스가 호퍼 하단까지 약 4∼5 m/s의 강한 하향 흐름을 형성하고 있어 탈리 분진의 재비산 문제가 발생할 가능성이 클 것으로 예상되었다.
본 연구 결과를 바탕으로 유입구는 접선 유입식으로 설계하고 가이드 베인을 추가로 설치하였으며, 벤츄리는 설치하지 않았다. 또한, 배플의 제원은 기본 설계안을 유지하는 것으로 결론지었다. 이에 최종 설계안을 검토한 결과, Fig.
5 m/s 이상으로 예측되었다. 배플 간격을 좁히고 상승 기류의 방향 전환 각도를 좀 더 크게 한 결과, 배플 주변의 통과 유속이 증가되고 또한 곡률반경이 커서 조대입자의 충돌효과는 더 클 것으로 판단된다. 단, 배플 통과 유속이 증가하고 기류의 회전 반경이 커짐에 따라 배플 주변의 정압이 상승할 가능성이 있으나 Fig.
또한, 배플의 제원은 기본 설계안을 유지하는 것으로 결론지었다. 이에 최종 설계안을 검토한 결과, Fig. 8의 예측 결과에서 볼 수 있듯이 출구 플레넘의 덕트 위치에 의해 기류가 덕트 부근으로 집중되며 여과 기류가 다소 편차가 발생하고 있으나, 이미 여과 기류가 대부분 균일한 분포로 백필터를 통과한 후, 플레넘 부근에서 편차가 발생한다는 점에서 크게 문제되지는 않을 것으로 판단된다. 현재 최종설계안을 바탕으로 시작품을 제작하여 실제 산업현장에서 테스트를 수행중에 있으며 테스트 결과와 전산해석 결과를 비교 검토하고 있어 향후 그 결과를 분석하면 전산해석의 유용성을 검증할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

8의 예측 결과에서 볼 수 있듯이 출구 플레넘의 덕트 위치에 의해 기류가 덕트 부근으로 집중되며 여과 기류가 다소 편차가 발생하고 있으나, 이미 여과 기류가 대부분 균일한 분포로 백필터를 통과한 후, 플레넘 부근에서 편차가 발생한다는 점에서 크게 문제되지는 않을 것으로 판단된다. 현재 최종설계안을 바탕으로 시작품을 제작하여 실제 산업현장에서 테스트를 수행중에 있으며 테스트 결과와 전산해석 결과를 비교 검토하고 있어 향후 그 결과를 분석하면 전산해석의 유용성을 검증할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업분야에서 여과집진 기술이 많이 적용되는 이유는?	입자상물질에 대한 고효율 집진시설로는 전기집진기와 여과집진기가 있는데, 산업분야에서는 여과집진기(bag filter)가 가장 많이 적용되고 있다. 이는 여과집진 기술이 다른 집진방법에 비해 먼지 부하 변동에 크게 영향을 받지 않고 운전 및 관리가 용이하며, 미세입자에 대한 집진 효율이 매우 우수한 특징을 갖고 있기 때문이다[1]. 그러므로 계속 강화되고 있는 입자상물질의 배출허용기준과 총량규제 대응에 적합하여 산업체(주물 제조업을 포함한 각종 먼지 다량 발생생공정)에서 가장 많이 사용되고 있는 집진장치이다.
	멀티 집진의 원리는 무엇인가?	Fig. 1에서 볼 수 있듯이, 멀티 집진의 원리는 함진가스가 장치 상부로 유입되어 선회류를 형성하여 불똥 및 조대입자가 원심력에 의해 이탈되고 기류 방향 전환에 따른 구심력 상실 및 중력침강 효과로 1차 조대입자 집진이 이루어진다. 이후 배플에 관성충돌하여 조대입자의 2차 집진이 발생하고 미세입자는 백필터를 통해 집진되는 구조이다.
	다양한 입경 분포를 갖는 분진이 발생하는 공정에서 여과집진기 전단에 싸이클론을 설치하여 조대입자를 1차 제거한 후 여과집진기에서 미세입자를 제거하는 형태로 운용하는 방식의 문제점은 무엇인가?	이에 다양한 입경 분포를 갖는 분진이 발생하는 공정에서는 여과집진기 전단에 싸이클론을 설치하여 조대입자를 1차 제거한 후 여과집진기에서 미세입자를 제거하는 형태로 운용한다. 이러한 집진 방식은 두 개의 집진장치를 직렬로 연결함에 따라 압력손실이 과대해져 고정압용 송풍기를 사용해야하므로 초기 설치비, 동력비, 유지관리비 및 부지면적 등이 많이 소요되는 문제점이 있다[2, 3]. 일반적인 접선 유입식 싸이클론은 유입속도를 약 15~20 m/s로 설계한다.

참고문헌 (7)

Sung-Gil Hong, Yu-Jin Jung, Ki-Woo Park, Moon-Heon Jeong, Ki-Hyuk Lim, Hye-Min Suh, Byung-Hyun Shon, "A study on the optimization design of pulse air jet system to improve bag-filter performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation, Vol. 13, No. 8, pp. 3792-3799, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.8.3792

원문보기 상세보기
Jeong-Gook Jang, Jae-Keun Lee, and Hai-Soo Chun, "Minimization of dioxins in municipal waste incineration processes", J. Korean Solid Waste Engineering Society, Vol. 11, No. 4, pp. 630-644, 1994.
Young-Ok Park, Jae-Ek Son, "Emission control technology in waste incineration(II)-Removal of toxic substances-" J. Korean Solid Waste Engineering Society, Vol. 11, No. 3, pp. 475-487, 1994.
Sung-Gil Hong, Yu-Jin Jung, Ki-Woo Park, Moon-Heon Jeong, Ki-Hyuk Lim, Hye-Min Suh and Byung-Hyun Shon, "A study on the optimization design of pulse air jet system to improve bag-filter performance", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 8, pp. 3792-3799, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.8.3792

원문보기 상세보기
Hyun-Guk Myung, Computational Fluid Dynamics for Engineering, Han Mi publishing company, pp. 124-138, 1997.
Patankar SV, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp., 1980.
Byung-Rok Shin, Computational Fluid Dynamics, Dae Young publishing company, pp. 264-277, 1997.

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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