[논문]고전압 전극 두께와 집진판 간격에 따른 전기집진기의 미세먼지 집진효율 및 오존발생 특성

이재인; 우상희; 김종범; 이승복; 배귀남

doi:10.11629/jpaar.2018.14.4.171

고전압 전극 두께와 집진판 간격에 따른 전기집진기의 미세먼지 집진효율 및 오존발생 특성
Characteristics of particulate matter collection efficiency and ozone emission rate of an electrostatic precipitator by thickness of high-voltage electrode and distance of collection plates 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.14 no.4, 2018년, pp.171 - 180

이재인 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 우상희 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 김종범 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 이승복 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 배귀남 (한국과학기술연구원 미세먼지사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

To optimize the shape of the electrostatic precipitator for the removal of particulate matter in subway environments, the wind-tunnel experiments were carried out to characterize collection efficiency and ozone emission rate. As a standardized parameter, power consumption divided by the square of flow velocity, was increased, the $PM_{10}$ collection efficiency increased. If the standardized parameter is higher than 1.0 due to high power consumption or low flow velocity, increase in thickness of electrodes from 1 to 2 mm, or increase in distance of collection plates from 5 to 10 cm did not change the $PM_{10}$ collection efficiency much. Increase in thickness of high-voltage electrodes, however, can cause decrease in $PM_{10}$ collection efficiency by 28% for low power consumption and high flow velocity. The ozone emission rate decreased as distance of collection plates became wider, because the ozone emission rate per unit channel was constant, and the number of collection channels decreased as the distance of collection plates increased. When the distance of collection plates was narrow, the ozone emission rate increased with the increase of the thickness of electrodes, but the difference was negligible when the distance of collection plates was wide. It was found that the electrostatic precipitator having a thin high-voltage electrodes and a narrow distance of collection plates is advantageous. However, to increase the thickness of high-voltage electrodes, or to increase the distance of collection plates is needed, it is necessary to increase the applied voltage or reduce the flow rate to compensate reduction of the collection efficiency.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Experimental setup of a lab-scale wind tunnel for measuring particle collection efficiency of ESP (A) Side-view of wind tunnel system, (B) Top-view of ESP with collection plate distance of 5 cm, (C) Top-view of ESP with collection plate distance of 10 cm, (D) Electrode of saw-type.
그림 Fig. 2. Size distribution of particle mass concentration measured at (a) vertical and (b) horizontal locations of the wind tunnel and (c) upstream and downstream of the ESP.
그림 Fig. 3. Current-voltage curves of the electrostatic precipitator by thickness of electrode and distance of collection plates.
그림 Fig. 4. Particle collection efficiency of the electrostatic precipitator with a high-voltage electrode of 2 mm in thickness with particle diameter for case of 5 cm distance with (a) constant flow velocity or (b) constant applied voltage, and 10 cm distance with (c) constant flow velocity or (d) constant applied voltage.
그림 Fig. 5. Change in PM₁₀ collection efficiency of the electrostatic precipitator by thickness of electrodes and distance of collection plates (a) 5 cm, (b) 10 cm.
그림 Fig. 6. PM₁₀ collection efficiency with normalized power consumption with flow velocity by thickness of electrodes and distance of collection plates.
그림 Fig. 7. Ozone emission rate from the electrostatic precipitator with power consumption by thickness of electrodes and distance of collection plates.
그림 Fig. 8. Ozone emission rate per channel from the electrostatic precipitator with electric field strength by thickness of electrodes and distance of collection plates.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

(2018a)은 집진판 간격이 5 cm인 1단 전기집진기에 방전극 두께가 1 mm로 동일한 6가지 방전극 형상을 실험하였으며, 그 중에서 톱날모양(saw-type) 방전극의 집진효율이 상대적으로 높고, 오존이 비교적 적게 발생되었다. 따라서 본 연구에서는 saw-type 방전극을 가진 1단 전기집진기를 지하철 환경에 적용할 수 있도록 내구성 향상을 위한 방전극 두께 증가 및 재료비 절감을 위한 집진판 간격 증가가 각각 집진효율과 오존 발생율에 미치는 영향을 비교 분석하였다.

가설 설정

(2018a)에 따르면 NaCl 입자와 지하철 금속성분 입자의 전기적 이동도는 유사하다. 본 연구에서도 NaCl 입자 집진효율 실험 결과를 지하철 환경에 적용할 수 있다고 가정하였다. 입자의 농도는 aerodynamic particle sizer (APS 3321, TSI Inc, USA) 를 이용하여 측정하였다.

제안 방법

APS 1대를 사용해 전기집진기 상류와 하류에서 입자농도를 약 1분 동안 번갈아 가며 2회씩 측정 하여 집진효율(η)을 다음과 같이 계산하였다(Eq. 1).
하지만 집진판 간격 2배 증가에 의한 전류 감소와 집진채널의 개수가 절반이 된 것에 의한 전류 감소 등을 함께 고려하면, 예상한 것보다 코로나 전류가 더 크게 감소하였으며, 그 이유는 아직 확실치 않다. 본 실험에서 사용된 인가전압의 범위는 안정적인 전기장 형성을 위해 코로나 전류가 발생하기 시작하는 0.01 mA에 해당하는 인가전압부터 스파크가 발생하는 최대인가전압의 약 70%에 해당하는 인가전압까지의 범위에서 실험을 수행하였다.
(2013)에서와 같이 집진효율을 비교하는 변수로 이용된다. 본 연구에서도 전력을 기준으로 하되, 유속의 영향을 배제하고 방전극의 두께와 집진판 간격만의 영향을 분석하기 위해, Woo et al. (2018a) 과 같이 전력을 유속의 제곱으로 나누어서 표준화한 값(power consumption/flow velocity²)에 따른 PM₁₀ 집진효율을 Fig. 6에 나타냈다. Fig.
따라서 채널 1~2개의 집진효율 및 오존 발생량으로 전체 전기집진기의 성능을 추정할 수 있다. 시험입자 이외의 입자를 제거하기 위하여 풍동 유입부에 HEPA필터를 설치하였으며, 유입구 부분에 팬을 설치하여 풍동 내 시험입자의 농도가 공간적으로 균일해 지도록 확산시켰다.
유동 속도 1~4 m/s에서 실험이 실시되었으며, 집진부로부터 상단 20 cm 떨어진 지점에서 풍속계 (VelociCalc 9545, TSI, USA)를 이용하여 풍속을 측정하였다. 실험 시 실험실 기온은 20℃ 전후였고, 평균 상대습도는 약 55%이었다.
1로 집진효율 계산이 가능하다고 판단되었다. 이후 본 실험에 서는 풍동 단면의 중앙에서만 입자 농도를 측정하였다.
, 2006). 일반적으로 전기집진기 실험을 위해 Atomizing 중에 하전되는 입자를 중화시켜야 하지만 본 실험에서는 중화 과정을 생략하였다. Forsyth et al.
입자 수농도가 낮았던 수 μm보다 큰 입자의 집진효율의 경우 실험의 이상치를 제외하고, 입자 크기별 집진효율 그래프를 그려서 0과 1 사이의 값을 가지는 sigmoidal 함수로 회귀 곡선을 도출 하여 외삽 또는 내삽하였다.
본 연구에서도 NaCl 입자 집진효율 실험 결과를 지하철 환경에 적용할 수 있다고 가정하였다. 입자의 농도는 aerodynamic particle sizer (APS 3321, TSI Inc, USA) 를 이용하여 측정하였다. APS는 입자를 가속시켜 특정 거리를 이동하는 시간을 측정함으로써 입자의 공기역학적 직경을 측정하는 장비이다.
전기집진기의 오존 발생 특성을 측정하기 위해서 집진부 하부로부터 약 1 m 떨어진 하류에서 Ozone analyzer(Model 49i, Thermo Scientific, USA)로 오존 농도를 측정하였다. 유속이 빨라질수록 발생된 오존이 더 희석되어 농도가 낮아지므로, 다음과 같이 Eq.
지하철 미세먼지를 제거하기 위한 전기집진기의 내구성 향상을 위해 방전극의 두께를 증가시키는 경우와 재료비를 절감하기 위해 집진판 간격을 증가시켜 집진채널의 개수를 감소시키는 경우 미세먼지 집진효율 및 오존 발생율의 변화를 비교하기 위해 모형 풍동 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
예를 들어, 약 10 W 소비전력에서 집진판 간격이 10 cm일 때 오존 발생율이 7 ~ 9 µg/s이었는데, 집진판 간격이 5 cm로 좁을 때 11 ~ 20 µg/s 로 증가하였다. 하지만, 이러한 증가가 단지 집진판 간격 감소(10 cm에서 5 cm)에 따른 집진채널 개수의 증가(1개에서 2개)에 의한 것인지를 살펴보기 위해, Fig. 8과 같이 x축을 소비전력 대신 전기장 세기로 바꾸어 단위 집진채널당 오존 발생율을 비교하였다. 앞에서 설명한 것과 같이 전기장이 불안정한 것으로 추정되는 집진판 간격이 5 cm이고 방전극 두께가 2 mm인 경우를 제외하고, 나머지 케이스에 서는 단위 채널당 오존 발생율은 방전극의 두께 및 집진판 간격에 상관없이 일정하며, 전기장의 세기에 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다.

대상 데이터

1c). 방전극 두께가 1 mm이고 집진판 간격이 5 cm인 전기 집진기의 실험 자료는 Woo et al. (2018a)의 자료를 인용하였다. 방전극과 집진판의 재질은 모두 알루미늄이다.
1b, 1c). 방전극 두께에 따른 영향을 살펴보기 위해 Woo et al. (2018a)이 사용한 두께 1 mm (1t) 방전극 대신 두께 2 mm (2t) 방전극을 사용하였다. 집진판의 간격이 5 cm였던 Woo et al.
, 2013). 본 연구에서는 1단 전기집진기의 고전압 방전극 두께와 집진판 간격에 따른 미세먼지의 집진효율을 측정하기 위해 Woo et al. (2018a) 이 사용한 것과 동일한 전기집진기와 동일한 톱날 모양(saw-type) 방전극을 사용하였는데, 가로 2 cm, 세로 12 cm 크기의 직사각형 몸체에 등 간격으로 배치된 총 46개의 톱날이 양방향으로 배치되었다(Fig. 1d). 방전극은 가로 59 cm, 세로 12 cm의 크기인 집진판 중간에 13 cm 간격으로 3열이 배치되었다 (Fig.
본 연구에서는 Atomizer로 발생시킨 NaCl 입자를 시험입자로 사용하였다. NaCl 입자는 수용액을 분무하여 입자를 발생시키기 간편하므로 입자 실험에 널리 쓰인다.
위와 같은 전기집진기의 미세먼지 집진효율 및 오존 발생율을 측정하기 위해 Fig. 1a와 같은 폭 10 cm × 높이 12 cm × 길이 2.8 m인 풍동에서 실험하였다.
는 i 번째 입경 채널에서 터널 입자 무게농도이다. 지하철 입경 분포, M_tunnel,i는 Woo et al. (2018b)의 서울 지하철 터널 구간 하루 측정 데이터를 평균하였다.

성능/효과

(1) 전기집진기의 성능을 평가하기 위한 표준화 변수로 이용한 power consumption/flow velocity² 값에 대해 지하철 PM₁₀ 집진효율은 각각 직각쌍곡선(rectangular hyperbola)으로 잘 표현되었으며, 대체로 방전극의 두께가 두꺼워지고, 집진판 간격이 넓어지면 PM₁₀ 집진효율은 약간 감소하거나 유지되었다.
(2) 인가전압이 높아서 소비전력이 높거나 유속이 낮아서 power consumption/flow velocity² 값이 1.0 이상으로 높으면 방전극 두께를 1 mm에서 2 mm로 증가시키는 것이나 집진판 간격을 5 cm에서 10 cm로 증가시키는 변화에 따른 지하철 PM₁₀ 집진효율의 감소는 12% 이내로 차이가 크지 않았다.
(3) 반면, power consumption/flow velocity² 값이 0.3 수준으로 낮은 조건에서는 방전극 두께가 2 mm인 경우가 1 mm인 경우보다 지하철 PM₁₀ 집진효율은 14 ~ 28%까지 감소하였다. 따라서 인가전압이 낮거나 빠른 유속 조건에서 전기집진기를 사용해야 한다면, 방전극 두께를 얇게 제작하는 것이 유리하다.
(4) 총 오존 발생율은 소비전력에 선형적으로 비례하여 증가하였고, 전기장의 세기가 동일한 경우 단위 채널당 오존 발생율은 방전극의 두께 및 집진판 간격에 상관없이 유사한 수준을 나타내었다. 다만, 집진판 간격이 5 cm로 좁고, 방전극의 두께가 2 mm로 두꺼운 경우 인가전압이 높아지면 높은 유속에서 오존 발생율이 크게 증가하였는데, 이는 전기장의 불안정성 때문으로 추정된다.
Eq. 2를 이용하여 전기집진기의 오존 발생율을 시간당 질량으로 계산하여 나타낸 Fig. 7에서 보듯이, 유속에 상관없이 소비전력에 비례하여 오존 발생율이 증가하였다. Fig.
유속이 1 m/s로 낮고 인가전압이 -13 kV 이상인 조건에서는 PM₁₀ 집진효율이 1에 가까웠다. 또한 인가전압이 동일한 조건에서 방전극이 두꺼울 때보다 얇을 때 집진효율이 높았으며, 인가전압이 낮아지거나, 유속이 클수록 방전극 두께의 차이는 커졌다. 이러한 방전극 두께 증가에 따른 집진효율의 감소 경향은 코로나 하전효율의 저감 때문으로 추정되며, 명확한 원인을 규명하기 위해 추가연구가 필요하다.
5b에서 보듯이 집진판 간격이 넓은 10 cm인 경우 인가전압이 -24 kV 이상의 조건에서는 방전극의 두께에 상관없이 PM₁₀ 집진효율은 유사하였으나, 인가전압이 -22 kV 이하이면서 유속이 2 m/s인 조건에서 방전극 의 두께가 얇을수록 오히려 집진효율이 낮아지는 경향도 관찰되었다. 또한, 인가전압 감소에 따른 PM₁₀ 집진효율 감소 곡선이 완만하지 않고, 특정 인가전압에서 약간 증가 또는 감소하는 현상을 보이는데, 이는 인가전압 이외의 다른 인자의 영향을 함께 받고 있음을 암시한다.
이러한 방전극 두께 증가에 따른 집진효율의 감소 경향은 코로나 하전효율의 저감 때문으로 추정되며, 명확한 원인을 규명하기 위해 추가연구가 필요하다. 반면, Fig. 5b에서 보듯이 집진판 간격이 넓은 10 cm인 경우 인가전압이 -24 kV 이상의 조건에서는 방전극의 두께에 상관없이 PM₁₀ 집진효율은 유사하였으나, 인가전압이 -22 kV 이하이면서 유속이 2 m/s인 조건에서 방전극 의 두께가 얇을수록 오히려 집진효율이 낮아지는 경향도 관찰되었다. 또한, 인가전압 감소에 따른 PM₁₀ 집진효율 감소 곡선이 완만하지 않고, 특정 인가전압에서 약간 증가 또는 감소하는 현상을 보이는데, 이는 인가전압 이외의 다른 인자의 영향을 함께 받고 있음을 암시한다.
방전극의 두께가 2 mm이고, 집진판의 간격이 5 cm인 경우 2 m/s의 유속에서 인가전압에 따른 입경별 집진효율과 -15 kV의 인가전압에서 유속에 따른 입경별 집진효율을 나타낸 Fig. 4에서 보듯이 4 µm 이하의 입자에서는 입자의 크기가 클수록, 인가전압이 높을수록, 그리고 유속이 낮을수록 집진효율이 증가한 반면, 4 µm 이상의 입자에서는 입자 크기, 인가전압 및 유속에 상관없이 집진효율이 거의 100%에 가까웠다.
본 연구에서는 방전극 두께가 1 mm에서 2 mm로 증가할 때 감소하는 PM₁₀ 집진효율의 차이는 power consumption/flow velocity² 값이 낮아질수록, 즉 전력이 낮고 유속이 높을수록 커졌는데, power consumption/flow velocity² 값이 0.3 ~ 1.0 범위로 낮으면, 집진판 간격이 각각 5 cm와 10 cm인 경우 PM₁₀ 집진효율은 각각 12 ~ 28%와 3 ~ 14% 범위만큼 감소하였다. 하지만 집진판 간격이 5 cm일 때 방전극 두께가 1 mm 인 스파이크 모양의 방전극은 동일한 power consumption/flow velocity² 값에서 PM₁₀집진효율은 톱날모양의 약 절반 수준까지 크게 저감되었던 Woo et al.
6과 같이 하나의 곡선으로 합쳐졌는데, 이는 유속이 증가 하면 하전효율 및 체류시간이 함께 감소하기 때문으로 추정된다. 본 연구에서와 같이 방전극의 두께가 1 ~ 2 mm이고, 집진판 간격이 5 ~ 10 cm인 경우 인가전압 -10 ~ -30 kV 및 유속 1 ~ 4 m/s 조건에서 PM₁₀ 집진효율이 직각쌍곡선 (rectangular hyperbola) 으로 잘 표현되었고, 이때 R²는 0.92 ~ 0.98 범위로 높았다. 집진판 간격과 상관없이 power consumption/ flow velocity²이 0에 가까워질 때, 즉 전력이 낮고 유속이 높을 때, 방전극의 두께가 1 mm인 경우에는 집진효율이 약 0.
요약하면, 대체로 방전극의 두께가 얇고, 집진판 간격이 좁을수록 PM₁₀ 집진효율이 약간 증가하거나 유지되었는데, 인가전압이 충분히 높고 유속이 낮은 조건에서는 방전극의 두께 및 집진판 간격의 영향은 5% 이하로 크지 않았다. 하지만 인가전압이 낮거나 유속이 높아서 power consumption/flow velocity²이 1.

후속연구

또한 인가전압이 동일한 조건에서 방전극이 두꺼울 때보다 얇을 때 집진효율이 높았으며, 인가전압이 낮아지거나, 유속이 클수록 방전극 두께의 차이는 커졌다. 이러한 방전극 두께 증가에 따른 집진효율의 감소 경향은 코로나 하전효율의 저감 때문으로 추정되며, 명확한 원인을 규명하기 위해 추가연구가 필요하다. 반면, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	집진판 간격의 영향에 관한 연구는 무엇이 있었는가?	(2013)은 스파이크 모양(spike tips) 방전극의 배열, 간격과 집진효율간의 관계를 연구하였다. Kim et al. (1992)은 와이어 방전극선을 이용한 2단 전기집진기에서 2 µm보다 지름이 작은 입자의 경우 집진판 간격이 20 mm에서 16 mm, 12 mm로 좁아질수록 집진효율이 높아졌으나, 2 µm보다 큰 입자에서는 집진판 간격에 영향이 거의 없었다. Kim et al. (2010)은 1단 전기집진기 동일 전력조건에서 와이어형 에지 방전극과 끝부분이 M자 모양인 에지 방전극에 비하여 사각핀을 가진 사각 방전극의 집진효율이 상대적으로 높았다. 그리고 집진판의 간격이 30 cm인 경우에 비하여 20 cm 인 경우 집진효율이 약 5% 증가하였다. Suh et al. (2013)의 연구에서는 집진판 간격이 좁을수록 집진 효율은 증가하지만 너무 간격이 좁아지면 하전설비의 용량 증가로 스파크 현상이 발생하여 집진효울 이 감소한다고 하였다.
	전기집진기란 무엇인가?	이러한 지하철 미세먼지 노출을 줄이기 위해 미세먼지 저감장치의 적용이 시도되고 있는데, 그 중에 대표적인 것이 작은 유동저항과 높은 집진효율로 특징되는 전기집진기(Electrostatic precipitators, ESP)이다 (Parker, 1997). 전기집진기는 코로나 방전을 통해 발생된 이온으로 입자를 하전시키고, 하전된 입자를 전기장 내 정전기력으로 집진판에서 제거하는 장치이다(White, 1956). 전기집진기의 집진효율은 고전압 방전극 형상, 인가전압, 유속 등 다양한 변수에 영향을 받는다.
	전기집진기의 집진효율은 무엇에 영향을 받는가?	전기집진기는 코로나 방전을 통해 발생된 이온으로 입자를 하전시키고, 하전된 입자를 전기장 내 정전기력으로 집진판에서 제거하는 장치이다(White, 1956). 전기집진기의 집진효율은 고전압 방전극 형상, 인가전압, 유속 등 다양한 변수에 영향을 받는다. 그 중에서 고전압 방전극의 형상을 최적화하는 연구는 국내외에서 활발히 이루어져 왔다(Crynack, 1991; Chambers et al.

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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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