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문제 정의
- 다음으로, 석회석 슬러리를 흡수탑 내에서 분무하여 석회석 슬러리 입자가 습분제거기에서 제거되는 특성을 파악하는 실험을 진행하였다. 평균 입도가 20 ㎛인 석회석 가루를 물과 4:6 질량비율로 혼합하여 슬러리를 만들어서 100 L 용량의 탱크에 담아두고, 석회석 가루가 침전되는 것을 방지하기 위해 교반기를 사용하여 계속 휘저어주었다.
- , 2003). 따라서 본 연구에서 는 PM2.5를 효과적으로 제거하기 위한 습식 전기집진기 설계에 도움 될 수 있도록 하기 위하여, 습분 제거기의 포집효율을 측정하고 이를 통해 습식 배연탈황설비에서 배출되는 입자의 크기를 분석하였다
가설 설정
- 입자 거동을 해석하기 위해 중력, Stokes 항력, 그리고 브라운 운동의 효과를 고려하였다. 공기역학적 직경을 고려하여, 입자는 구형이며 밀도가 1 g/cm3인 것으로 가정하였다.
- 실제 습식 배연탈황설비의 경우에는 황화합 물을 효과적으로 제거하기 위해 flue gas의 체류시간을 충분히 길게 설정하며, 따라서 실제 흡수탑의 높이는 상당히 크다. 그러나 본 연구에서는 습식 배연 탈황설비에 사용되는 습분제거기의 포집효율을 측정하는 것이 목적이므로, 황 화합물이 제거되는 화학 반응과 flue gas의 체류시간은 고려하지 않았다. 따라서 습식 배연탈황설비의 흡수탑을 모사하기 위한 lab-scale 챔버의 높이는 약 1.
- 습분제거기 내에서의 유동은 정상상태 비압축성 난류 유동인 것으로 가정하였고, 난류 유동 해석을 위해 standard k-ε 모델을 사용하였다.
제안 방법
- Table 1. Simulated cut-off size of the mist eliminator used in this study.
- 평균 입도가 20 ㎛인 석회석 가루를 물과 4:6 질량비율로 혼합하여 슬러리를 만들어서 100 L 용량의 탱크에 담아두고, 석회석 가루가 침전되는 것을 방지하기 위해 교반기를 사용하여 계속 휘저어주었다. 그림 1에 보이는 바와 같이, HEPA 필터로 여과된 깨끗한 공기가 아래에서부터 위로 흐르는 상황에서 full cone nozzle (KJ1/2FF-SS32, 국제노즐, 대한민국)을 사용하여 아래 방향으로 석회석 슬러리를 분무하였다. 이때 분무 작동 압력은 3 bar로 설정하였다.
- 습분제거기에 관한 기존 연구에서는 주로 수치해석을 통해 포집효율을 예측 하거나 습분제거기 전과 후에서 포집된 액적의 질량 차이를 이용하여 포집효율을 측정하였고 입자 크기에 따른 포집효율을 측정한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 Arizona Test Dust를이용하여 습분제거기의 입자크기 별 포집효율을 측정하였고, 습식 배연탈황설비를 모사하여 석회석 슬러리를 분무한 뒤 습분제거기를 통과하여 빠져나오는 입자상 물질의 특성을 파악하였다.
- 본 연구에서는 lab-scale의 흡수탑을 구성하고 chevron type 습분제거기를 설치하여 습식 배연탈황 설비에 사용되는 습분제거기의 입자 포집 특성을 관찰하였다. 습분제거기의 포집효율을 Arizona Test Dust를 사용하여 실험적 방법으로 측정하고 또한 수치해석 방법으로 예측한 결과, 습분제거기의 입구 유속이 1.
- 이때 분무 작동 압력은 3 bar로 설정하였다. 분무된 석회석 슬러리 입자를 습분제거기 전과 후의 위치에서 Mini Particle Sampler (MPS, Domaine Technologique, France) 를 사용하여 TEM grid에 포집하였다. 이후 Scanning Electron Microscope (SEM, S4800, HITACHI, Japan) 를 사용하여 TEM grid 위에 포집된 입자의 형상을 관찰하고 성분을 분석하였다.
- 습분제거기의 입구 유속에 따른 유동 특성을 분석하고 유속 변화에 따른 습분제거기의 절단직경을 예측하기 위해, ANSYS FLUENT Release 17.0을 사용하여 습분제거기 내에서의 공기 유동과 입자 거동 시뮬레이션을 수행하였다. 실제의 습식 배연탈황 설비에 사용되는 습분제거기는 그 크기가 크고 같은 형상이 여러번 반복되는 단면 형상을 가지기 때문에, 습분제거기의 성능을 수치해석 방법으로 예측 한 대부분의 기존 연구에서는 2차원 유동을 가정하였다(Galletti et al.
- 습분제거기의 전과 후에서 Arizona Test Dust를 에어로졸 상태로 샘플링하여 Optical Particle Counter (OPC, Model 1.109, GRIMM, Germany)를 사용하여 수농도 분포를 측정하였고, 다음의 식을 사용하여 습분제거기의 포집효율(η)을 측정하였다.
- 습식 배연탈황설비 내에서 석회석 슬러리가 분무 될 때 습분제거기를 통과하는 석회석 슬러리 입자의 특성을 파악하기 위해, lab-scale 흡수탑에서 공기의 유속이 2.5 m/s일 때 석회석 슬러리 입자를 TEM grid에 포집한 뒤 SEM 장비를 사용하여 입자의 형상과 성분을 분석하였다. 그림 7은 스포이드를 사용하여 미량의 석회석 슬러리를 TEM grid에 떨어뜨리고 건조한 뒤에 SEM 사진을 촬영한 것이다.
- 습식 배연탈황설비에 관한 기존 연구를 참고하여, 석회석 슬러리와 기체의 액기비는 10 L/Nm3으로 설정하였고 흡수탑 내부에서 기체의 유속은 2.5 m/s로 설정 하였다(Nygaard et al., 2004; Gutiérrez Ortiz et al., 2006).
- 유동 해석을 위한 경계조건으로는, 계산영역의 입구와 출구에서 각각 velocity inlet과 outflow 조건을, 그리고 흡수탑 챔버의 벽면과 습분제거기의 표면에서 no-slip 조건을 설정하였다. 실제 습식 배연탈황설비에 사용되는 흡수탑 내에서 flue gas의 평균 유속 범위가 2~5 m/s 인 것을 고려하여, 계산영역의 입구를 통해 습분제거기 내부로 유입되는 공기의 유속은 1.0, 2.5, 4.0, 5.5 m/s로 각각 설정하였다. 흡수탑 챔버 내에서의 온도와 압력은 각각 300K 및 101.
- 우선 습분제거기의 입자 크기 별 포집효율을 측정하기 위하여, 석회석 슬러리를 분무하는 대신에 Solid Aerosol Generator (SAG 410, TOPAS, Germany) 를 사용하여 Arizona Test Dust (ISO 12103–1, A4 type)를 발생하고 깨끗한 공기 흐름과 함께 흡수탑 내부로 주입하였다. 실험을 총 5회 진행하였다. 각 실험 측정은 유동이 충분히 안정화된 후 20분간 이루어졌으며, error bar의 경우 표준편차의 1배수 범위를 사용하였다.
- 우선 습분제거기의 입자 크기 별 포집효율을 측정하기 위하여, 석회석 슬러리를 분무하는 대신에 Solid Aerosol Generator (SAG 410, TOPAS, Germany) 를 사용하여 Arizona Test Dust (ISO 12103–1, A4 type)를 발생하고 깨끗한 공기 흐름과 함께 흡수탑 내부로 주입하였다.
- 습분제거기 내에서의 유동은 정상상태 비압축성 난류 유동인 것으로 가정하였고, 난류 유동 해석을 위해 standard k-ε 모델을 사용하였다. 유동 해석을 위한 경계조건으로는, 계산영역의 입구와 출구에서 각각 velocity inlet과 outflow 조건을, 그리고 흡수탑 챔버의 벽면과 습분제거기의 표면에서 no-slip 조건을 설정하였다. 실제 습식 배연탈황설비에 사용되는 흡수탑 내에서 flue gas의 평균 유속 범위가 2~5 m/s 인 것을 고려하여, 계산영역의 입구를 통해 습분제거기 내부로 유입되는 공기의 유속은 1.
- 격자의존성 검사를 진행한 결과, 최종적으로 선택된 격자의 수는 약 50만개로 결정 되었다. 유동해석이 완료된 후, ANSYS FLUENT에 내장되어 있는 Discrete Phase Models (DPM)을 사용하여 입자의 거동을 해석하였다. 입자 거동을 해석하기 위해 중력, Stokes 항력, 그리고 브라운 운동의 효과를 고려하였다.
- 분무된 석회석 슬러리 입자를 습분제거기 전과 후의 위치에서 Mini Particle Sampler (MPS, Domaine Technologique, France) 를 사용하여 TEM grid에 포집하였다. 이후 Scanning Electron Microscope (SEM, S4800, HITACHI, Japan) 를 사용하여 TEM grid 위에 포집된 입자의 형상을 관찰하고 성분을 분석하였다.
- 유동해석이 완료된 후, ANSYS FLUENT에 내장되어 있는 Discrete Phase Models (DPM)을 사용하여 입자의 거동을 해석하였다. 입자 거동을 해석하기 위해 중력, Stokes 항력, 그리고 브라운 운동의 효과를 고려하였다. 공기역학적 직경을 고려하여, 입자는 구형이며 밀도가 1 g/cm3인 것으로 가정하였다.
- 화력발전소에서 사용되는 대기오염물질 저감 설비에는 습식 배연탈황설비, 배연탈질설비, 전기집진기 등이 있으며, 본 연구에서는 화력발전소에서 배출되는 주요 대기오염물질 중 하나인 SOx를 저감시 키기 위해 사용되는 습식 배연탈황설비를 고려하였다. 습식 배연탈황설비의 경우 흡수탑과 재생탑으로 이루어져 있으며, 흡수탑에서는 석회석 슬러리를 이용하여 배연가스의 황화합물을 제거하고 재생탑에서는 사용된 석회석 슬러리를 산소와 반응시켜 재활용한다.
- 5 m/s로 각각 설정하였다. 흡수탑 챔버 내에서의 온도와 압력은 각각 300K 및 101.3 kPa로 설정하였다. 습분제거기 전과 후의 영역에서는 6면체 격자를 사용하였고, 습분제거기 내부 영역에서는 4면체 격자를 사용하였다.
대상 데이터
- 그림 2는 본 연구에서 사용된 습분제거기의 단면 형상을 나타낸 것이다. 본 연구에서 사용된 습분제거기는 chevron type으로써 유동이 아래에서 위로 수직하게 지나갈 수 있도록 설치되었다. 본 연구에서 사용된 습분제거기는 상용 제품으로써 lab-scale 흡수탑의 크기에 맞도록 절단 및 설치되었다.
- 본 연구에서 사용된 습분제거기는 chevron type으로써 유동이 아래에서 위로 수직하게 지나갈 수 있도록 설치되었다. 본 연구에서 사용된 습분제거기는 상용 제품으로써 lab-scale 흡수탑의 크기에 맞도록 절단 및 설치되었다. 습분제거기의 높이는 260 mm, 채널의 너비는 35 mm, 갈고 리 모양 베인 (hooked vane)의 길이는 7 mm이었다.
- 3 kPa로 설정하였다. 습분제거기 전과 후의 영역에서는 6면체 격자를 사용하였고, 습분제거기 내부 영역에서는 4면체 격자를 사용하였다. 격자의존성 검사를 진행한 결과, 최종적으로 선택된 격자의 수는 약 50만개로 결정 되었다.
성능/효과
- 습분제거기 전과 후의 영역에서는 6면체 격자를 사용하였고, 습분제거기 내부 영역에서는 4면체 격자를 사용하였다. 격자의존성 검사를 진행한 결과, 최종적으로 선택된 격자의 수는 약 50만개로 결정 되었다. 유동해석이 완료된 후, ANSYS FLUENT에 내장되어 있는 Discrete Phase Models (DPM)을 사용하여 입자의 거동을 해석하였다.
- 이는 석회석의 평균 입도가 20 ㎛ 수준으로 큰 편이므로 흡수탑 내에서 분무된 석회석 입자가 샘플링 프로브와 튜브를 거쳐 TEM grid에 도달하는 도중에 관 내 침전 등의 원인으로 소실되었기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 석회석 입자의 밀도가 2.71 g/cm3이고 dynamic shape factor를 Arizona Test Dust와 같은 1.6으로 가정해 볼 때, 공기 유속 2.5 m/s에 대한 절단직경인 공기역학적 직경 5.8 ㎛가 석회석 입자의 크기 4.6 ㎛에 해당하므로, 본 연구에서 사용된 습분제거기를 통과하는 석회석 입자의 크기 특성을 관찰하는 데 무리가 없는 것으로 판단되었다. 습분제거기로 유입되기 전(그림 8a)과 습분제거기를 통과한 후(그림 8b)에 포집된 석회석 입자의 크기를 비교해 보면, 습분제거기에서 절단직경보 다 큰 입자는 제거되고 대체로 4.
- 이는 실험에서 실제 발생할 수 있는 상황과는 다르게 수치해석에서는 입자의 재비산을 고려하지 않았으며 또한 습분제거 기의 입구에서 공기의 유속이 위치에 상관없이 균일한 것으로 설정되었기 때문이 것으로 추정된다. 그러나 습분제거기의 포집효율은 관성 포집장치의 전형적인 결과인 S자 곡선 형태를 보였으며, 포집효율 이 50%가 되는 때의 입자 크기, 즉 절단 직경은 5.8 ㎛인 것으로 나타났다.
- 한편, EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 분석을 통해 TEM grid에 포집된 입자의 성분을 살펴본 결과를 표 2에 나타내었다. 석회석의 주 원소인 Ca, C, O의 성분이 지배적인 것으로 나타났으며, 일부 검출된 Cu 성분은 사용된 TEM grid가 Cu로 구성되어 있는 것에 기인한 것으로 판단된다.
- 6 ㎛에 해당하므로, 본 연구에서 사용된 습분제거기를 통과하는 석회석 입자의 크기 특성을 관찰하는 데 무리가 없는 것으로 판단되었다. 습분제거기로 유입되기 전(그림 8a)과 습분제거기를 통과한 후(그림 8b)에 포집된 석회석 입자의 크기를 비교해 보면, 습분제거기에서 절단직경보 다 큰 입자는 제거되고 대체로 4.6 ㎛ 보다 작은 석회석 입자, 즉 공기역학적 직경 5.8 ㎛ 이하 크기의 석회석 입자만 습분제거기를 빠져나오는 것으로 나타났다. 이는 그림 6의 포집효율 측정 결과와도 정성적으로 잘 일치하는 결과이다.
- 그림 8은 습분제거기 전과 후의 위치에서 샘플링 프로브와 MPS를 사용하여 석회석 슬러리 입자를 TEM grid에 포집한 결과를 보여주는 것이다. 습분제거기로 유입되기 전의 위치에서 샘플링된 입자를 보여주는 그림 8a를 그림 7과 비교해 볼 때, 40 ㎛와 같은 큰 크기의 입자는 거의 포집되지 않고 대체로 10 ㎛보다 작은 크기의 입자가 포집된 것으로 확인되었다. 이는 석회석의 평균 입도가 20 ㎛ 수준으로 큰 편이므로 흡수탑 내에서 분무된 석회석 입자가 샘플링 프로브와 튜브를 거쳐 TEM grid에 도달하는 도중에 관 내 침전 등의 원인으로 소실되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 5 m/s일 때, 습분제거기 내에서의 최대 유속은 약 25 m/s까지 상승하는 것으로 예측되었다. 습분제거기의 각 채널 내에 설치된 갈고리 모양의 베인(vane)에 의해 유로가 좁아지는 영역에서 공기의 유속이 상승하며, 이렇게 빨라진 유동이 그대로 채널 경사면을 따라 상승한 뒤 유동의 하류에 위치한 또 다른 갈고리 모양의 베인에 부딪히고 급격하게 방향을 바꾸면서 계속 상승하는 것으로 나타났다. 이것으로부터 갈고리 모양의 베인이 습분제거기 내에서의 기체 유속을 빠르게 하고 유동 방향을 급변하도록 유도함으로써, 공기와 함께 흘러가는 입자에 작용하는 관성의 효과가 더욱 커지게 만드는 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 lab-scale의 흡수탑을 구성하고 chevron type 습분제거기를 설치하여 습식 배연탈황 설비에 사용되는 습분제거기의 입자 포집 특성을 관찰하였다. 습분제거기의 포집효율을 Arizona Test Dust를 사용하여 실험적 방법으로 측정하고 또한 수치해석 방법으로 예측한 결과, 습분제거기의 입구 유속이 1.0 m/s에서 5.5 m/s까지 증가할수록 절단직경이 공기역학적 직경으로 9.6 ㎛에서 3.7 ㎛로 감소 하였으며, 실험 조건인 입구 유속 2.5 m/s일 때에는 절단직경이 공기역학적 직경으로 5.8 ㎛인 것으로 나타났다. 이후 흡수탑 내 공기 유속 2.
- 습분제거기의 각 채널 내에 설치된 갈고리 모양의 베인(vane)에 의해 유로가 좁아지는 영역에서 공기의 유속이 상승하며, 이렇게 빨라진 유동이 그대로 채널 경사면을 따라 상승한 뒤 유동의 하류에 위치한 또 다른 갈고리 모양의 베인에 부딪히고 급격하게 방향을 바꾸면서 계속 상승하는 것으로 나타났다. 이것으로부터 갈고리 모양의 베인이 습분제거기 내에서의 기체 유속을 빠르게 하고 유동 방향을 급변하도록 유도함으로써, 공기와 함께 흘러가는 입자에 작용하는 관성의 효과가 더욱 커지게 만드는 것으로 분석되었다.
- 8 ㎛인 것으로 나타났다. 이후 흡수탑 내 공기 유속 2.5 m/s 조건에서 석회석 슬러리를 분무하여 습분제거기의 전과 후의 위치에서 TEM grid에 입자를 포집하고 SEM 사진을 촬영하여 분석한 결과, 습분제거기를 통과하는 입자는 절단직경인 공기역학적 직경 5.8 ㎛보다 작은 것을 확인하였다.
- 5 m/s까지 변화시켰다. 입구 유속이 증가할수록 습분제거기의 절단직경이 감소하는 경향을 나타내었고, 이는 유속에 따른 관성 포집장치의 절단직경 변화의 일반적인 경향과 일치하는 결과이다. 입구 유속이 1.
- 5 m/s일 때 습분제거기의 포집효율을 나타낸 것이다. 입자 크기를 공기역학적 직경으로 환산하여 비교한 결과, 실험 결과와 시뮬레이션 결과의 경향성이 잘 일치하였다. 포집효율 곡선의 일부 구간에서 실험 결과와 시뮬레이션 결과 간에 약간의 차이가 보였다.
- 5 m/s일 때 입자 크기에 따른 습분제거기 내에서의 입자 궤적을 나타낸 것이다. 입자의 크기가 커질수록 습분제거기 내에서 더욱 잘 포집되는 것으로 나타났다. 특히 9 ㎛ 크기의 입자의 궤적을 살펴보면, 갈고리 모양의 베인과 그 주위 영역에서 많은 입자가 포집되었고 이는 관성임팩터에서 입자가 포집되는 원리와 그 경향성이 흡사한 것으로 나타났다.
- 그림 7은 스포이드를 사용하여 미량의 석회석 슬러리를 TEM grid에 떨어뜨리고 건조한 뒤에 SEM 사진을 촬영한 것이다. 제조사에 따르면 석회석의 평균 입도가 20 ㎛이나, SEM 사진으로부터 볼 때 매우 작은 크기에서부터 약 40 ㎛에 이르기까지 다양한 크기의 입자가 존재하는 것으로 관찰되었다. 한편, EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 분석을 통해 TEM grid에 포집된 입자의 성분을 살펴본 결과를 표 2에 나타내었다.
- 입자의 크기가 커질수록 습분제거기 내에서 더욱 잘 포집되는 것으로 나타났다. 특히 9 ㎛ 크기의 입자의 궤적을 살펴보면, 갈고리 모양의 베인과 그 주위 영역에서 많은 입자가 포집되었고 이는 관성임팩터에서 입자가 포집되는 원리와 그 경향성이 흡사한 것으로 나타났다.
- 그림 4는 수치해석 방법에 의한 유동 해석 결과를 나타낸 것이다. 흡수탑 챔버 내에서 공기의 평균 유속이 2.5 m/s일 때, 습분제거기 내에서의 최대 유속은 약 25 m/s까지 상승하는 것으로 예측되었다. 습분제거기의 각 채널 내에 설치된 갈고리 모양의 베인(vane)에 의해 유로가 좁아지는 영역에서 공기의 유속이 상승하며, 이렇게 빨라진 유동이 그대로 채널 경사면을 따라 상승한 뒤 유동의 하류에 위치한 또 다른 갈고리 모양의 베인에 부딪히고 급격하게 방향을 바꾸면서 계속 상승하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 노후화된 화력발전소의 가동이 중단된 기간동안에 화력발전소로부터 30~40 km 인접한 지역의 미세먼지 농도는 2017년 5월에 비해 최대 13~15% 감소한 것으로 나타났다(이동규와 성재훈, 2018). 따라서 화력발전소에서 발생되는 대기오염 물질의 특성을 연구하고, 더 나아가 이를 저감할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다.
- 이를 저감하기 위해서는 화력발전소의 대기오염물질 저감 설비간의 특징을 파악하고 각 설비의 오염물질 저감효율을 높여야 한다. 본 연구에서 사용된 습분제거기의 입자 제거 특성을 반영하여, 습분제거기를 빠져나오는 석회석 슬러리 입자를 효과적으로 포집할 수 있는 습식 전기집진기의 포집효율을 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
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