[논문]금속필터를 사용한 석탄가스화 분진 및 표준 분진의 집진 효율과 운전특성

윤용승; 정석우; 이승종

doi:10.9713/kcer.2019.57.4.461

금속필터를 사용한 석탄가스화 분진 및 표준 분진의 집진 효율과 운전특성
Dust Removal Efficiency and Operation Characteristics of Metal Filters for Coal Gasification Fines and Standard Dust Sample 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.4, 2019년, pp.461 - 468

윤용승 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부) , 정석우 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부) , 이승종 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부)

초록
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석탄화력발전소에서 발생하는 분진 효율을 높이고 미세먼지와 극미세먼지까지 집진할 필요성이 높아지고 있다. 상압 영역에서 운전되는 플랜트 발생 분진 제거를 위해서는 백필터나 전기집진기를 사용하나, 고온고압에서 운전되는 석탄가스화와 같은 경우는 금속필터나 세라믹필터가 사용된다. 고온고압에서 분진 집진을 위해 2종의 5겹 압착/소결한 금속필터를 제작하였고 이를 사용했을 때 분진 포집효율과 $10{\mu}m$ 이하 입자에 대한 포집 성능을 파악하였다. 석탄가스화 분진에 대한 금속필터의 집진효율은 무게기준으로 99%대에 달하였다. 제작한 금속필터 2종의 미세먼지 입자 이하(< $2.5{\mu}m$) 크기까지 집진성능을 파악하고자 JIS 분진 표준시료를 대상으로 실험을 수행하였고, $1{\sim}2.5{\mu}m$ 입자크기 범위에 대해 97%와 70~82%의 집진 성능을 확인하였다. $1{\mu}m$ 이하 입자크기 영역에서는 입자크기가 작아짐에 따라 제작한 금속필터의 집진효율이 급격히 낮아짐을 볼 수 있었다. 이러한 $1{\mu}m$ 이하 입자들에 대한 집진 제한점을 극복하고자 금속필터 성능의 개선 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Demand for improving dust removal efficiency in coal power plants and the dust removal requirement to the level of capturing fine particulate matter and ultrafine particles have been increasing. While bag filter and electrostatic precipitator (ESP) are typically used for dust removal in the processes operating at atmospheric pressure, metal filters or ceramic filters are employed for dust which is produced at high temperature/pressure system as in coal gasification. For dust removal at the high temperature/pressure conditions, two metal filters of five compressed/sintered layers were manufactured and applied to analyze the dust removal characteristics. Manufactured metal filters exhibited more than 99% dust removal efficiency on coal gasification fine particulates in mass basis. To evaluate the fine particulate removal efficiency of less than $2.5{\mu}m$, JIS standard fine sample was used and confirmed the removal efficiencies of 97% and 70~82% on the fine particulates of $1{\sim}2.5{\mu}m$ size range. For the size range of less than $1{\mu}m$, dust removal efficiency of manufactured metal filters significantly degraded with smaller particle size. Improving methods are proposed to overcome the limitations in applying to fine dust of less than $1{\mu}m$.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Dust removal test facility using fine particulate matter obtained from coal gasifier.
그림 Fig. 2. Dust removal test facility using JIS standard fine particulate matter.
그림 Fig. 3. Dust concentration measuring equipment.
그림 Fig. 4. Particle diameter distribution diagram of fly-ash fines obtained from coal gasifier.
그림 Fig. 5. Particle diameter distribution of JIS standard fine particulate matter sample.
그림 Fig. 6. Cross-sectional diagram of metal filter manufactured through compression/sintering with 5 layers of stainless steel sheets.
표 Table 1. Bulk density of fly-ash fines obtained from coal gasifier
그림 Fig. 7. Installation of metal filters to the dust removal test facility.
그림 Fig. 8. Particle size distribution of coal feed and captured fines in 3 ton/day coal gasification test using metal filter No. 1.
표 Table 2. Specification of metal filter
표 Table 3. Dust concentration results using metal filter No. 1 for coal gasification flyash fines
그림 Fig. 9. Operational characteristics of differential pressure by filter-cleaning methods (metal filter No. 1).
그림 Fig. 10. Operational characteristics of differential pressure by filter-cleaning methods (metal filter No. 2).
그림 Fig. 11. Removal efficiency of fine particulate matter using metal filter No. 1 for JIS standard fines.
그림 Fig. 12. Removal efficiency of fine particulate matter using metal filter No. 2 for JIS standard fines.
표 Table 4. Dust concentration results using metal filter No. 2 for coal gasification flyash fines
표 Table 5. Environmental emission regulations of dust in Korea

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 석탄가스화에서 발생하는 분진을 대상으로 금속필터를 제작 적용하여 분진포집 효율과 미세먼지 영역까지 제거되는 성능을 파악하였다. 또한, 미세먼지/극미세먼지를 고효율로 집진하기 위한 기술개발 방향도 제시하였다.
본 연구 에서는 5 μm 기공 크기인 여과제어 스크린을 사용하여 미세먼지 영역까지 분진 포집이 효과적일 수 있는 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 석탄가스화에서 발생하는 분진을 대상으로 금속필터를 제작 적용하여 분진포집 효율과 미세먼지 영역까지 제거되는 성능을 파악하였다. 또한, 미세먼지/극미세먼지를 고효율로 집진하기 위한 기술개발 방향도 제시하였다.

제안 방법

1,300~1,600 ℃에 달하는 고온 가스화 반응영역에서 0.1~0.6 μm에 해당하는 입자들이 발생하는데 이 미세먼지 크기에 해당하는 입자들은 제거하기 위한 실험을 수행하였다.
JIS 표준분진을 사용하여 실시한 실험은 시험장치 내부에 금속필터 시편을 거치한 후 장치 후단에 연결된 흡입방식의 송풍기를 이용 하여 대상 분진 입자의 이송이 가능하도록 시험공기 유량 480 Nm 3 /h 를 공급하고, 분진공급장치를 이용하여 분진을 연속적으로 공급하 면서 시편 전후단에 설치된 분진입자 계수기를 통해 입자 크기에 따른 분진농도를 측정하는 방식으로 진행되었다.
5겹 스테인레스 쉬트(sheet)를 5겹 소결 압착시킨 금속필터 2종을제작하여 사용하였다. 금속필터 1은 일본에서 수입한 스테인레스 쉬트를 사용하여 제작한 금속필터를 금속필터 No. 1, 국내에서 생산된 스테인레스 쉬트를 사용한 금속필터를 금속필터 No. 2로 본 연구에 서는 명명하였다. 시험에 사용된 수입 쉬트 여과재는 590×590 mm 크기이며, 수입 쉬트를 적용한 금속필터 크기는 φ62.
금속필터 No. 2를 설치한 후 연속으로 분진을 공급하면서 필터 차압 및 분진 여과특성 확인 시험을 진행하였다. 시험용 집진장치 운전조건으로는 집진장치 운전압력 10 bar, 가스 공급량 110 Nm 3 /h, 운전온도 300 ℃, 역세 차압 10 bar이며, 필터 역세운전은 필터 차압이 300 mmH 2 O에 도달하면 30초 주기로 필터 전체 역세 운전을 진행하였다.
배관 내부압력은 집진장치의 운전압력과 동일하게 하였으며, 집진장치 입구가스의 온도는 200~300 ℃ 범위인데 분진농도 측정장치로 합성가스가 유입되는 과정에서 온도저하에 따른 응축수의 발생을 방지하기 위하여 분진함유가스 이송라인 외부에 열선을 설치하여 동일한 온도가 유지되도록 하였다.
분진 유동화용 날개 회전 축과 분진공급 호퍼 외부에 구성된 구동용 모터 축 연결부에는 메커니컬 실을 설치함으로써 고압으로 운전되는 분진공급장치 내부 가스가 축 연결부위를 통해서 외부로 배출되는 것을 차단하였다. 분진 공급용 스크루 회전 모터에 회전속도 제어용 인버터를 구성함으로써 분진공급 스크루의 회전수 제어를 통해 공급되는 분진량을 제어하였다. 시험용 집진장치를 운전온도까지 승온 소요시간은 1시간 30분 이내이며, 등온 유지 시 온도편차는 ±5 ℃ 이내로 제어되었다.
집진장치 설계 유량은 100 Nm 3 /h이며, 집진장치 입구배관으로 분진 공급용 10 Nm 3 /h 가스 공급이 필요하기 때문에 50 Nm 3 /h급 MFC (Mass Flow Controller) 3대를 구성하였다. 분진공급 조건에서 집진필터의 분진 포집효율 확인을 목적으로 집진장치 입구와 출구 배관에는 분진농도 측정용 바이패스 배관을 구성하였고, 가스흐름 제어용 밸브를 설치하였다. 분진농도 측정은 가스흐름이 바이패스배관으로 흐르도록 유로를 변경시킨 후 바이패스 배관에 설치된 분진농도 측정용 시료가스 포집 포트를 통해 이루어지도록 하였다.
분진공급 조건에서 집진필터의 분진 포집효율 확인을 목적으로 집진장치 입구와 출구 배관에는 분진농도 측정용 바이패스 배관을 구성하였고, 가스흐름 제어용 밸브를 설치하였다. 분진농도 측정은 가스흐름이 바이패스배관으로 흐르도록 유로를 변경시킨 후 바이패스 배관에 설치된 분진농도 측정용 시료가스 포집 포트를 통해 이루어지도록 하였다.
분진은 50 µm 이하인 총먼지(TSP, Total Suspended Particles)와 10 μm, 2.5 μm, 0.1 μm 크기를 기준으로 분진, 미세먼지(Fine Particulate Matter), 극미세먼지/나노미세먼지(Ultrafine Particles, UFP)로 구분한다.
석탄가스화 설비와 같이 고온고압 조건에서 운영되는 플랜트에서 분진을 효과적으로 포집하기 위한 5중 압착 금속필터 2종을 제작하여 분진포집 성능과 운전특성을 조사하였다. 총먼지에 대한 제거 효율은 300 ℃ 집진 온도에서 금속필터를 사용하여 99.
시험용 집진장치 운전압력 10 bar, 시험가스 온도 300 ℃, 시험가스 공급량 110 Nm 3 /h, 그리고 필터 역세 차압 10 bar로 제어하였고, 정상상태에 도달한 후 집진장치 입구와 출구에서 각각 3회씩 분진농도를 측정하였다. 필터 차압이 75 mmH 2 O에 도달한 시점에서 집진장치 입구와 출구에서 분진농도 측정을 진행하였고 그 결과를 Table 3에 요약하였다.
2를 설치한 후 연속으로 분진을 공급하면서 필터 차압 및 분진 여과특성 확인 시험을 진행하였다. 시험용 집진장치 운전조건으로는 집진장치 운전압력 10 bar, 가스 공급량 110 Nm 3 /h, 운전온도 300 ℃, 역세 차압 10 bar이며, 필터 역세운전은 필터 차압이 300 mmH 2 O에 도달하면 30초 주기로 필터 전체 역세 운전을 진행하였다. Fig.
분진함유가스가 통과하는 라인은 1/2 inch SUS316 튜브를 적용하였다. 이송라인 내부에 분진함유가스 중의 분진이 침적되는 현상을 방지하기 위하여 배관의 가스흐름 유속을 12m/s로 설정하였다. 배관 내부압력은 집진장치의 운전압력과 동일하게 하였으며, 집진장치 입구가스의 온도는 200~300 ℃ 범위인데 분진농도 측정장치로 합성가스가 유입되는 과정에서 온도저하에 따른 응축수의 발생을 방지하기 위하여 분진함유가스 이송라인 외부에 열선을 설치하여 동일한 온도가 유지되도록 하였다.

대상 데이터

5겹 스테인레스 쉬트(sheet)를 5겹 소결 압착시킨 금속필터 2종을제작하여 사용하였다. 금속필터 1은 일본에서 수입한 스테인레스 쉬트를 사용하여 제작한 금속필터를 금속필터 No.
금속필터는 상용급 석탄 IGCC 발전소에서 사용하는 세라믹필터와 같은 사이즈(1.53 m 높이, 외경 6.25 cm)로 제작되었으며, 1개 금속 필터 무게는 약 6 kg이다. 같은 크기의 SiC 재질인 상용 세라믹필터가 약 5 kg 정도인데 반해서 1 kg 무겁다.
본 연구에 사용된 금속필터들은 5 μm 기공인 여과제어 스크린쉬트를 사용하였는데 기공이 더 작은 쉬트를 사용할 필요성이 확인되었다.
본 연구에 사용된 두 가지 분진은 고등기술연구원에서 보유하고 있는 3톤/일급 석탄가스화기 운전과정에서 집진장치에 포집된 비산재(fly-ash)와 일본 JIS 표준 분진시료이다.
3에 분진농도 측정설비를 볼 수 있다. 분진함유가스가 통과하는 라인은 1/2 inch SUS316 튜브를 적용하였다. 이송라인 내부에 분진함유가스 중의 분진이 침적되는 현상을 방지하기 위하여 배관의 가스흐름 유속을 12m/s로 설정하였다.
사용된 팀블은 1,000 ℃ 까지 사용이 가능한 쿼츠 파이버(quartz fiber) 재질로서 25×22×90 mm 크기인 ADVANTEC사의 No.88R이었다.
시험에 사용된 2번째 분진으로는 표준입자인 JIS (Japanese Industrial Standards) 분진시험입자 1, 클래스 11이 사용되었다. Fig.
시험에 사용된 수입 쉬트 여과재는 590×590 mm 크기이며, 수입 쉬트를 적용한 금속필터 크기는 φ62.5×L1,530 mm 이며, 여과재 재질은 합성가스에 의한 부식특성을 고려하여 부식성에 강한 SUS316L이 적용되었다.
시험용 집진장치 전단에는 시험가스를 운전온도로 제어하기 위한 간접 가열방식의 가스버너 적용 시험가스 가열장치가 구성되어 있다. 가스 가열장치를 통과한 고온의 가스는 배관을 통해 집진장치로 공급되는데, 이때 배관 표면 열손실에 의한 가스 냉각현상 제어를 목적으로 열선가열 및 보온재를 설치하였다.
집진장치 설계 유량은 100 Nm 3 /h이며, 집진장치 입구배관으로 분진 공급용 10 Nm 3 /h 가스 공급이 필요하기 때문에 50 Nm 3 /h급 MFC (Mass Flow Controller) 3대를 구성하였다. 분진공급 조건에서 집진필터의 분진 포집효율 확인을 목적으로 집진장치 입구와 출구 배관에는 분진농도 측정용 바이패스 배관을 구성하였고, 가스흐름 제어용 밸브를 설치하였다.

성능/효과

11.2 μm의입자에 대해서는 99.5%의 제거효율을 나타냄으로써, 평균 입도 20 µm 정도를 가지는 가스화플랜트 발생 비산재의 경우에는 99.7% 이상의 분진제거효율을 달성할 수 있을 것으로 예측되었다.
필터를 개별로 역세하는 방법으로 운전하였을 경우에는 집진장치 내부에 설치된 총 3개의 필터 중 첫 번째 필터 1차 역세 후 2차 역세 하기까지 약 17분 50초가 소요되는 것으로 확인되었고, 필터 전체를 한번에 역세하는 방법으로 운전한 경우에는 첫 번째 필터 1차 역세후 2차 역세까지 소요된 시간이 약 19분 15초인 것으로 확인되었다. 그리고 역세 후 필터 차압이 가장 낮아진 시점에서의 차압은 개별 역세 방법보다 전체 역세 방법으로 운전하였을 때가 더 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 필터 전체 역세 방법이 역세 주기가 길고 필터 최저 차압이 더 낮게 운전되기 때문에 효율적인 운전방법인 것으로 판단되었다.
금속필터 No. 1을 사용했을 때 0.3~0.9 μm 정도의 미세입자에 대해서는 24.5~94.8％ 정도의 제거효율을 보였으며 1~2.5 μm 크기의 분진에 대해서 제거효율이 97% 정도로 측정되었다.
금속필터 No. 2는 금속필터 No. 1에 비해서 전체 10 μm 이상 크기인 분진 집진효율은 더 높으나, 10 μm 이하인 미세먼지와 초미세 먼지 영역에서는 포집효율이 낮게 측정되었다.
금속필터 No. 2를 사용하였을 때는 0.4~5.7 μm 크기의 입자에 28.6~88.6％ 정도의 제거효율을 가지는 것으로 파악되었지만, 11.2 μm 크기의 입자에 대해서는 99.5%의 제거효율을 나타냄으로써, 평균 입도 20 µm 정도를 가지는 가스화플랜트 발생 비산재의 경우에는 99.7% 이상의 분진제거효율을 달성할수 있을 것으로 예측되었다.
그리고 역세 후 필터 차압이 가장 낮아진 시점에서의 차압은 개별 역세 방법보다 전체 역세 방법으로 운전하였을 때가 더 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 필터 전체 역세 방법이 역세 주기가 길고 필터 최저 차압이 더 낮게 운전되기 때문에 효율적인 운전방법인 것으로 판단되었다.
분진 입도 0.4~5.7 μm 크기의 입자에 대해서는 28.6~88.6％ 정도의 제거효율을 가지는 것으로 파악되었으며, 1~2.5 μm 정도의 분진에 대해서는 제거효율이 70-82% 정도로 측정되었다.
이 결과는 인도네시아 세화탄을 사용하여 20 bar 석탄가스화 압력조건에서 생산한 합성가스 (CO 44%, 수소 19%)가 금속집진필터를 통과하여 얻은 자료로서, 원료석탄은 1~800 μm의 넓은 범위 입자로 분포하고 있고 가스화기 상부와 금속필터 집진장치에서 포집된 입자들은 0.1~0.6 μm과 1~200 μm에 해당하는 2개의 포집된 입자분포를 보여주고 있다.
필터 차압이 75 mmH 2 O에 도달한 시점에서 집진장치 입구와 출구에서 분진농도 측정을 진행하였고 그 결과를 Table 3에 요약하였다. 집진장치 입구농도는 12,834 mg/Nm 3 이었고 출구농도는 18 mg/Nm 3 로서 분진 제거효율은 99.86%이었다.
총먼지에 대한 제거 효율은 300 ℃ 집진 온도에서 금속필터를 사용하여 99.86%, 99.96% 를 얻었다.
7 mg/Nm 3 이었다 (Table 4). 측정된 집진장치 전후단 분진농도를 기준으로 산출한 금속필터의 분진제거 효율은 99.96%이었다.
9에 나타내었다. 필터를 개별로 역세하는 방법으로 운전하였을 경우에는 집진장치 내부에 설치된 총 3개의 필터 중 첫 번째 필터 1차 역세 후 2차 역세 하기까지 약 17분 50초가 소요되는 것으로 확인되었고, 필터 전체를 한번에 역세하는 방법으로 운전한 경우에는 첫 번째 필터 1차 역세후 2차 역세까지 소요된 시간이 약 19분 15초인 것으로 확인되었다. 그리고 역세 후 필터 차압이 가장 낮아진 시점에서의 차압은 개별 역세 방법보다 전체 역세 방법으로 운전하였을 때가 더 낮은 것으로 확인되었다.

후속연구

1에 비해서 전체 10 μm 이상 크기인 분진 집진효율은 더 높으나, 10 μm 이하인 미세먼지와 초미세 먼지 영역에서는 포집효율이 낮게 측정되었다. 따라서 금속필터 No. 2 에 적용된 여과제어 스크린의 기공 크기를 더 줄여 적용할 필요가 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 미세먼지 표기 기준은?	1 μm 크기를 기준으로 분진, 미세먼지(Fine Particulate Matter), 극미세먼지/나노미세먼지(Ultrafine Particles, UFP)로 구분한다. 하지만 국내 에서는 미세먼지를 PM10으로 10 μm 이하인 입자, 초미세먼지를 PM2.5로 명칭하여 2.
	석탄, 바이오매스에서 분진이 발생하는 이유는?	자연 상태에서 얻게 되는 석탄, 바이오매스 등 고체연료는 기본적 으로 무기물질인 회분성분을 함유하고 있다. 토양과 접촉을 하여 생성되는 과정에서 필연적으로 토양 성분이 이들 고체연료에 함유되고 이 회분이 연소, 열분해, 가스화 등 고온이 수반되는 열적처리 과정을 거치면서 분진이 발생된다.
	고온고압에서 운전되는 석탄가스화에는 무슨 필터가 사용되는가?	석탄화력발전소에서 발생하는 분진 효율을 높이고 미세먼지와 극미세먼지까지 집진할 필요성이 높아지고 있다. 상압 영역에서 운전되는 플랜트 발생 분진 제거를 위해서는 백필터나 전기집진기를 사용하나, 고온고압에서 운전되는 석탄가스화와 같은 경우는 금속필터나 세라믹필터가 사용된다. 고온고압에서 분진 집진을 위해 2종의 5겹 압착/소결한 금속필터를 제작하였고 이를 사용했을 때 분진 포집효율과 $10{\mu}m$ 이하 입자에 대한 포집 성능을 파악하였다.

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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