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문제 정의
- 본 연구에서는 냉각과 여과기능을 통합한 싸이클론장치를 설계하여 내, 외부 열교환기가 간접대류 분위기를 형성함으로써 냉각수가 증발되는 문제점을 보완하면서 동시에 분진을 제거할 수 있는 구조이다. 이에 따라 공정가스의 정제 및 회수 시스템을 적용시키기 위한 예비실험으로써 수분의 냉각 및 미세먼지 집진 기술이 결합된 가스정제 시스템을 구성하여 모사가스의 유속, 온도 및 상대습도에 따른 수분의 냉각효율과 분진 제거효율을 고찰해보았다.
가설 설정
- 본 연구는 쓰레기 매립지에서 발생하는 폐가스로부터 바이오가스를 제조하는 혐기성소화 공정의 수분과 미세 분진을 제거하는 과정을 가정하였다. 이를 위해 약 50℃ 정도의 가스흐름 내에 수분을 주입시키기 위하여 증기 발생장치(steam generator)를 설치하였고, 그림 2에서와 같이 싸이클론 출구 쪽의 열교환기를 거쳐 가스를 재순 환시키기 위하여 후단에 fan을 설치하였다.
제안 방법
- 공정상에서 생산되는 바이오가스를 순환시키면서 수분과 미세분진을 동시에 제거하기 위한 싸이클론 장치 내에 삽입할 여과필터를 선정하고자 기본적인 여과효율과 차압을 평가하였다. 처리가스가 접선방향으로 싸이클론에 유입하면서 유속에 따라 강한 선회류(vortex)가 형성된다.
- 상대습도는 공기 중에 포함되어있는 수증기의 양이 일정하더라고 온도에 따라 다른 값을 보이기 때문에 본 연구에서는 절대습도 차트를 이용하여 수분제거율을 산출하였다. 그림1에 도시한 싸이클론 냉각장치에서 열교환 과정을 통한 수분응축은 소화공정에서 발생하는 다습 분진을 효과적으로 처리할 것으로 기대하였다. 수분에 의한 상부 필터의 눈막힘 현상을 억제하고, 궁극적으로 필터 수명을 연장할 수 있는 구조이다.
- 내, 외부 열교환기 온도는 –10℃로 고정하였고, 부분적으로 냉각된 가스를 열교환기를 거쳐 재주입하는 recycle ratio를 1로 유지하면서 실험을 진행하였다.
- 싸이클론 전단에 분체분산기로 공급되는 공기의 유량을 5-15 L/min로 변화시켜가며 분진을 정량적으로 조절하면서 비산시켜 싸이클론 장치 내부로 공급하였다. 동시에 carrier gas 개념의 주 흐름을 조성하기 위한 공기 유량을 45-195 L/min(유속: 0.3 m/s-1.2 m/s)으로 변화를 주어가며, 싸이클론 장치의 유입부와 유출부에서의 분진입자 개수를 측정함으로써 포집효율을 산출하였다. 분진입자 유입농도는 분체분산기에 공급되는 공기량에 비례하였으며, 5 L/min에서 10 ㎛ 입자의 경우, 971개/m3에서 1,583개/m3의 분포를 보였다.
- 매립지의 유기성폐기물로부터 바이오가스를 생산하는 혐기성 공정에서 발생하는 다습한 분진가스 흐름에 함유되어 있는 다량의 수분을 싸이클론을 이용하여 냉각시켜 수분을 제거하고, 원심력과 여과필터를 통해 미세분진을 포집하는 장치를 고안하여 처리성능을 고찰하였다.
- 바이오가스 제조공정에서 발생하는 수분 및 미세분진을 효과적으로 제거하기 위한 공정변수 실험을 실시하였다. 안정적이고, 상대적인 평가를 위해 앞서 실시한 필터와 싸이클론에서의 입자포집성능과 냉각을 통한 수분응축실험으로부터 가장 효과적이었던 조건으로 실험하였다.
- 그렇지만 개방형 구조로 인하여 공기 중의 오염물질에 의해 냉각수가 오염될 수 있고, 스케일 등의 부작용이 발생할 뿐만 아니라 냉각수 자체가 증발되는 문제점이 야기된다. 본 연구에서 설계한 분진-수분 동시 제거장치는 공정가스를 2 단계로 냉각시킴으로써 수분을 제거하는 원리로 구성되어있다. 열교환 과정을 통하여 함습가스 내의 수분을 제거하는 본 장치에서 수분제거율을 구하기 위해서는 싸이클론의 inlet과 outlet 부분의 온도, 상대습도와 절대습도 값이 필요하다.
- 본 연구에서는 싸이클론 원리를 이용하여 바이오가스 제조과정에서 가스특성에 유해한 영향을 줄 수 있는 수분과 미세분진을 동시에 처리하는 구조를 설계하였다. 50℃로 공급되는 처리대상 공정가스에 함유되어 있는 수분을 응축시키기 위하여 싸이클론 내부에 냉각용 튜브를 설치하였고, 동시에 다습가스를 외부 열교환기로 재순환시키면서 추가 냉각하였다.
- 열교환 과정을 통하여 함습가스 내의 수분을 제거하는 본 장치에서 수분제거율을 구하기 위해서는 싸이클론의 inlet과 outlet 부분의 온도, 상대습도와 절대습도 값이 필요하다. 상대습도는 공기 중에 포함되어있는 수증기의 양이 일정하더라고 온도에 따라 다른 값을 보이기 때문에 본 연구에서는 절대습도 차트를 이용하여 수분제거율을 산출하였다. 그림1에 도시한 싸이클론 냉각장치에서 열교환 과정을 통한 수분응축은 소화공정에서 발생하는 다습 분진을 효과적으로 처리할 것으로 기대하였다.
- 수분제거율을 산출하기 위하여 유량과 상대습도를 변화시키며 가스를 장치 내로 유입시켰다. 상대습도는 다기능 트랜스미터(Model:C310, KIMO Ins., France)를 이용하여 95%, 80%, 60%로 조절하면서 공급하였다. 내, 외부 열교환기 온도는 –10℃로 고정하였고, 부분적으로 냉각된 가스를 열교환기를 거쳐 재주입하는 recycle ratio를 1로 유지하면서 실험을 진행하였다.
- 여과재는 glass fiber 재질로 제조된 것으로써 기본적인 여과재의 특성은 표 2에 요약하였다. 성능시험 조건은 표 3과 같으며, 시험입자를 NaCl로 선택하여 BS EN 1822-3 기준에 따라 10 L/min의 유량으로 공급하였다. 여과재 전, 후단의 입자 수를 측정하여 개수기준 입자 제거효율과 여과가 진행되면서 발생하는 압력손실을 측정하였다.
- 싸이클론의 전단과 후단에서 입자시료를 분당 10회 포집하여 표1과 같은 사양의 Particle Counter(Model:3313, Met One,USA)을 이용하여 입자개수 기준 효율을 측정하였다. 수분제거 및 입자포집의 동시처리 효율시험을 위하여 분진 입자는 5 L/min의 유량으로 발생시켰으며, 공기는 45 L/min, 즉, 총 유체 유량을 50 L/min로 정하였다. 장치 내 흐름에서의 상대습도는 95±5%로 조성하였고, 싸이클론 내, 외부 열교환기의 온도는 –10℃로 유지시키면서 실험을 진행하였다.
- 수분제거율을 산출하기 위하여 유량과 상대습도를 변화시키며 가스를 장치 내로 유입시켰다. 상대습도는 다기능 트랜스미터(Model:C310, KIMO Ins.
- 싸이클론 재순환을 이용한 가스정제 설비에 적용하기 위한 여과재 중 PM2.5를 효과적으로 포집할 수 있는 여과재를 선택하기 위하여 여과재 성능 시험장비(APSI3160, TSI, US)를 이용하여 입자제거효율과 압력강하를 측정해보았다. 여과재는 glass fiber 재질로 제조된 것으로써 기본적인 여과재의 특성은 표 2에 요약하였다.
- 시험용 싸이클론의 사양은 원통의 지름(De)을 기준으로 그림 1에 요약한 바와 같이 설계하였다. 싸이클론은 투명한 아크릴로 제작하였으며, ID fan(180W, MINI-H300, HWANG HAE ELECTRIC)을 이용하여 장치 전체과정의 흐름을 유도하였다.
- 한편, 입자상물질의 제거를 위한 실험은 석탄화력발전소에서 배출되는 fly ash를 시험용 분진으로 사용하였고, 분체분산기(Powder generator, HCT 4801, HCT Korea)를이용하여 정량적으로 비산공급하였다. 싸이클론의 전단과 후단에서 입자시료를 분당 10회 포집하여 표1과 같은 사양의 Particle Counter(Model:3313, Met One,USA)을 이용하여 입자개수 기준 효율을 측정하였다. 수분제거 및 입자포집의 동시처리 효율시험을 위하여 분진 입자는 5 L/min의 유량으로 발생시켰으며, 공기는 45 L/min, 즉, 총 유체 유량을 50 L/min로 정하였다.
- 바이오가스 제조공정에서 발생하는 수분 및 미세분진을 효과적으로 제거하기 위한 공정변수 실험을 실시하였다. 안정적이고, 상대적인 평가를 위해 앞서 실시한 필터와 싸이클론에서의 입자포집성능과 냉각을 통한 수분응축실험으로부터 가장 효과적이었던 조건으로 실험하였다. 즉, 분진을 함유한 다습가스의 유량을 50 L/min(유속, 0.
- 성능시험 조건은 표 3과 같으며, 시험입자를 NaCl로 선택하여 BS EN 1822-3 기준에 따라 10 L/min의 유량으로 공급하였다. 여과재 전, 후단의 입자 수를 측정하여 개수기준 입자 제거효율과 여과가 진행되면서 발생하는 압력손실을 측정하였다.
- 따라서 수증기상의 수분은 응축수 형태로 싸이클론 하부의 호퍼로 낙하함으로써 주 가스흐름으로부터 분리될 수 있다. 이때 장치 중심축을 따라 상승하는 기류의 약 4%를 팬을 이용하여 강제적으로 회수하여 냉각시킨 후, 싸이클론 장치 입구의 챔버로 공급하여 초기 공정가스와 혼합시키는 구조를 구성하였다. 장치 내에서 수분함량을 낮춘 가스는 상부 여과필터를 통하여 최종 배출되는데 이때 온도(T4)는 약 20℃ 전후였다.
- 본 연구는 쓰레기 매립지에서 발생하는 폐가스로부터 바이오가스를 제조하는 혐기성소화 공정의 수분과 미세 분진을 제거하는 과정을 가정하였다. 이를 위해 약 50℃ 정도의 가스흐름 내에 수분을 주입시키기 위하여 증기 발생장치(steam generator)를 설치하였고, 그림 2에서와 같이 싸이클론 출구 쪽의 열교환기를 거쳐 가스를 재순 환시키기 위하여 후단에 fan을 설치하였다.
- 본 연구에서는 냉각과 여과기능을 통합한 싸이클론장치를 설계하여 내, 외부 열교환기가 간접대류 분위기를 형성함으로써 냉각수가 증발되는 문제점을 보완하면서 동시에 분진을 제거할 수 있는 구조이다. 이에 따라 공정가스의 정제 및 회수 시스템을 적용시키기 위한 예비실험으로써 수분의 냉각 및 미세먼지 집진 기술이 결합된 가스정제 시스템을 구성하여 모사가스의 유속, 온도 및 상대습도에 따른 수분의 냉각효율과 분진 제거효율을 고찰해보았다.
- 장치 내 흐름에서의 상대습도는 95±5%로 조성하였고, 싸이클론 내, 외부 열교환기의 온도는 –10℃로 유지시키면서 실험을 진행하였다.
- 한편, 싸이클론 냉각장치의 수분제거율을 구하기 위해서 포화수증기량과 비교해서 현재 함유되어있는 수증기의 양을 의미하는 상대습도(%)는 온도가 증가함에 따라 가스가 팽창하면서 낮아지게 된다. 즉, 가스흐름 중에 포함되어 있는 수증기의 양이 일정하더라도 가스의 온도에 따라 차이가 나므로 본 연구에서는 절대습도로 환산한 후 수분제거율을 구하였다. 시험가스 1m3 중에 포함된 수증기의 양을 건조공기에 대한 상대적인 무게(kg/kg)로 나타낸 것으로써 온도차이가 클수록 수분제거율이 높아지게 된다.
- 즉, 분진을 함유한 다습가스의 유량을 50 L/min(유속, 0.3 m/s)으로 일정하게 고정하고, 이때의 상대습도를 95±5%로 조절하였다.
- 그림 2에 표기한 각 부분의 온도, T1, T2, T3, T4는 각각 스팀 유입온도, recycle 후 주입되는 온도, 유출온도, recycle을 위한 fan에 의해 가스를 흡입하는 온도를 나타내었다. 한편, 입자상물질의 제거를 위한 실험은 석탄화력발전소에서 배출되는 fly ash를 시험용 분진으로 사용하였고, 분체분산기(Powder generator, HCT 4801, HCT Korea)를이용하여 정량적으로 비산공급하였다. 싸이클론의 전단과 후단에서 입자시료를 분당 10회 포집하여 표1과 같은 사양의 Particle Counter(Model:3313, Met One,USA)을 이용하여 입자개수 기준 효율을 측정하였다.
대상 데이터
- 이러한 선회류의 30-70%가 주 가스의 흐름에는 남아있고, 여전히 일정량의 수분이 함유되어 있으므로 필터는 소수성 재질을 사용해야 하고, 동시에 압력손실을 최소화할 수 있는 구조가 바람직하다[9]. 본 연구에서 사용한 여과재는 glass fiber 재질이며, 그림 2에 도시하였듯이 싸이클론의 유출부(votex finder)에 장착하여 초미세먼지입자를 최종적으로 포집하는 역할을 한다.
- 5를 효과적으로 포집할 수 있는 여과재를 선택하기 위하여 여과재 성능 시험장비(APSI3160, TSI, US)를 이용하여 입자제거효율과 압력강하를 측정해보았다. 여과재는 glass fiber 재질로 제조된 것으로써 기본적인 여과재의 특성은 표 2에 요약하였다. 성능시험 조건은 표 3과 같으며, 시험입자를 NaCl로 선택하여 BS EN 1822-3 기준에 따라 10 L/min의 유량으로 공급하였다.
성능/효과
- 2 m/s 이하이고 원심력에 의한 하부 싸이클론의 미세분진 여과효율은 낮을 것으로 판단되었으므로 유출부 여과필터의 집진이 상대적으로 중요하게 작용될 것으로 사료되었다. 그러나 수분함량이 높은 가스 흐름 내 습도가 입자의 주 흐름을 유지시키는 관성력을 저감하는 효과가 있으므로 상당량의 입자상물질이 하부에서 분리 및 포집되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 15 L/min의 유량에 대하여는 6,837 개/m3에서 7,449개/m3의 농도분포를 보여주었는 바, 싸이클론이나 필터의 경우 분진의 농도에 따라서 포집효율이 비례적으로 증가하는 경향이 있다[11]. 그러므로 동일한 유속에서 분진의 개수 농도가 증가할수록 관성력이 지배하는 여과장치에서는 집진효율이 증가할 것으로 예측되었다. 그러나 그림 3에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 시험한 장치의 구조에서는 각각의 유속과 분진농도에서 서로 간의 분명한 차이를 발견하지 못하였다.
- 복합형 싸이클론 집진기(hybrid cyclone)에서 종종 발견되는 유출부 압력저항은 하부 싸이클론에서의 원심력을 감쇠시키면서 입자분리효율을 저감하는 요인이 될 수 있다[10]. 본 연구대상 장치인 싸이클론에서는 유입속도가 약 1.2 m/s 이하이고 원심력에 의한 하부 싸이클론의 미세분진 여과효율은 낮을 것으로 판단되었으므로 유출부 여과필터의 집진이 상대적으로 중요하게 작용될 것으로 사료되었다. 그러나 수분함량이 높은 가스 흐름 내 습도가 입자의 주 흐름을 유지시키는 관성력을 저감하는 효과가 있으므로 상당량의 입자상물질이 하부에서 분리 및 포집되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 역기류식 싸이클론은 내부에 강한 선회류를 구성함으로써 입자분리와 열전달 효과가 우수하였는 바, 실제현장에서 빈번하게 발생하는 수분함량을 적용하며, 2.5 ㎛ 크기의 분진에 초점을 두어 관찰한 결과, 수분은 평균 70.86%, 분진은 평균 99.67%의 제거 결과를 얻었다. 이러한 장치는 바이오가스 제조를 위한 공정가스에 적용할 때 수분과 미세 분진을 동시에 제거하는 방식으로써 운전비용의 절감효과가 예상된다.
- 상대습도가 95±5%와 80±5% 일 때, 유량이 75L/min에서 수분제거율이 83.9%와 82.4%로 높았으며, 이를 기점으로 유량이 증가할수록 수분제거율은 감소하는 경향을 보였다.
- 즉, 분진발생 유량이 5 L/min인 적은 농도의 흐름에서는 입자의 크기에 관계없이 분리효율이 99.518%로서 거의 동일하게 나타났고, 15 L/min의 높은 분진 함유농도에서도 99.622%(10 μm)와 99.621%(2.5 μ m)로서 미세한 정도의 차이만을 보여주었다.
- 표 4에 요약한 입경별 여과효율을 살펴보면, 0.6 μm 크기까지 분석한 결과로부터 99.9999% 이상의 고효율을 보여주고 있었으며, 7.87-7.94 mmH2O의 압력손실을 나타내었다.
- 표 4에서 이미 고찰하였듯이 본 장치에 적용한 여과필터는 0.6 μm의 미세입자에 대하여 99.999% 이상의 절대포집성능을 나타내었는 바, 실제 실험장치에 장착한 분진흐름 시험에서도 2.5 μm의 입자에 대하여 고성능의 여과효율을 보이면서, 10 μm 크기의 분진과 차이가 거의 없음을 알 수 있다.
- 이때 장치 전체를 가로지르는 압력강하는 10 pa을 나타냈다. 표 8의 시험결과에서 볼 수 있듯이 10 ㎛ 크기의 입자 포집효율은 99.71%였고, 2.5 ㎛의 분진입자에 대한 개수농도 기준 평균 제거효율은 99.67%이었으며, 수분제거율은 평균 70.86%로 측정되었다. 수분이 많은 가스흐름의 분위기에서 미세입자들이 상호응집하는 현상이 일부 발생할 것으로 추측되며, 이로 인한 입자분리효과가 높을 것으로 기대하였다.
- 그러나 그림 3에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 시험한 장치의 구조에서는 각각의 유속과 분진농도에서 서로 간의 분명한 차이를 발견하지 못하였다. 현장 운전조건에 준하여 설정한 낮은 유입속도는 원심력이 주요 추진력인 싸이클론의 입자분리성능에 큰 기여를 하지 못하는 것으로 판단되었다. 따라서 대부분의 입자포집효율은 싸이클론 상부의 여과필터에서 결정되는 것으로 사료되었다.
후속연구
- 그러므로 동일한 유속에서 분진의 개수 농도가 증가할수록 관성력이 지배하는 여과장치에서는 집진효율이 증가할 것으로 예측되었다. 그러나 그림 3에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 시험한 장치의 구조에서는 각각의 유속과 분진농도에서 서로 간의 분명한 차이를 발견하지 못하였다. 현장 운전조건에 준하여 설정한 낮은 유입속도는 원심력이 주요 추진력인 싸이클론의 입자분리성능에 큰 기여를 하지 못하는 것으로 판단되었다.
- 86%로 측정되었다. 수분이 많은 가스흐름의 분위기에서 미세입자들이 상호응집하는 현상이 일부 발생할 것으로 추측되며, 이로 인한 입자분리효과가 높을 것으로 기대하였다. 그러나 건조가스흐름에서의 입자포집효율이 99.
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