[논문]석회석 슬러리 입자 제거를 위한 전기집진기 포집효율 평가

이기혁; 김문원; 류태우; 육세진

doi:10.11629/jpaar.2019.15.2.057

석회석 슬러리 입자 제거를 위한 전기집진기 포집효율 평가
Evaluation of Collection Efficiency of Electrostatic Precipitator for Removing Limestone Slurry Particles 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.15 no.2, 2019년, pp.57 - 65

이기혁 (한양대학교 기계공학부) , 김문원 (한양대학교 융합국방학과) , 류태우 (연세대학교 공학연구원) , 육세진 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there has been much research on the effect of fine dust on human body with increasing interest in the fine dust. Thermal power plant, which is considered as one of the main sources of fine dust, is reported to be responsible for 14% of the total amount of domestic fine dust in the Republic of Korea. Therefore, dust collecting devices in the thermal power plant need to be improved. In this study, the electrostatic precipitator (ESP) was considered to substitute for a mist eliminator used in flue gas desulfurization facility. By considering real situation in the flue gas desulfurization facility, the collection efficiency of the ESP was evaluated by using the sprayed limestone slurry particles. The collection efficiency of the ESP was higher than that of the mist eliminator, showing the possibility of replacing the mist eliminator with the ESP in flue gas desulfurization facility.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of the mist eliminator considered as a reference (Kim et al., 2018).
표 Table 1. Cases of electrostatic precipitator shape considered in this study.
그림 Fig. 2. Discharge electrode shapes (a) sextuple spike electrode (b) saw-tooth electrode.
그림 Fig. 3. Collecting plate shapes (a) circular (b) hexagonal (c) square.
그림 Fig. 4. Schematic of experimental setup.
그림 Fig. 5. Voltage-current characteristics of the electrostatic precipitators according to discharge electrode shape.
그림 Fig. 6. Comparison of collection efficiency between the collecting plates of electrostatic precipitator
그림 Fig. 7. Comparison of collection efficiency between the electrostatic precipitator and the mist eliminator at the same aerosol flow rate.
그림 Fig. 8. SEM image of limestone particles (a) sampled from the agitated tank (b) sampled right after the spray nozzle; (c) sampled after the mist eliminator; (d) sampled after the electrostatic precipitator.
표 Table 2. EDS analysis result for the sampled limestone particles.

AI 본문요약
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문제 정의

5의 작은 입자에 대한 포집효율도 높아질 수 있으며 압력강하 또한 낮아 상대적으로 큰 동력이 필요하지 않다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 전기집진기의 습분제거기 대체 가능성에 대하여 분석하기 위하여 전기집진기의 포집효율을 측정하고 이를 습분제거기의 포집효율과 비교하였다. 이를 위해, 그림 1에 보이는 습분제거기에 대한 기존 연구(Kim et al.
본 연구에서는 습식 배연탈황설비 내에서 사용되는 습분제거기에 대한 전기집진기의 대체 가능성을 파악하기 위하여 전기집진기의 포집 특성을 기존 습분제거기의 특성과 비교 분석하였다. 2가지 방전극 형상과 3가지 집진판 형상을 활용하여 총 6가지 형상의 전기집진기를 고려하였다.

가설 설정

Table 1. Cases of electrostatic precipitator shape considered in this study.

제안 방법

본 연구에서는 습식 배연탈황설비 내에서 사용되는 습분제거기에 대한 전기집진기의 대체 가능성을 파악하기 위하여 전기집진기의 포집 특성을 기존 습분제거기의 특성과 비교 분석하였다. 2가지 방전극 형상과 3가지 집진판 형상을 활용하여 총 6가지 형상의 전기집진기를 고려하였다. Arizona Test Dust 를 활용하여 전기집진기의 포집효율을 측정하고 이를 기존의 습분제거기 포집효율과 비교한 결과, 같은 유량을 처리할 때 전기집진기의 포집효율이 습분제거기를 대체할 수 있을 정도로 충분히 높은 수준인 것으로 나타났다.
Kim et al. (2018)의 습분제거기 포집효율에 관한 연구 결과와 정량적으로 비교하기 위하여, 동일한 유량과 동일한 유로 단면적을 적용하였으며 또한 동일한 입자인 Arizona Test Dust (ISO 12103–1, A4 type)를 활용하였다.
한편, 포집효율을 측정하기 위하여 Solid Aerosol Generator (SAG 410, TOPAS, Germany)를 사용하여 Arizona Test Dust를 발생하고 깨끗한 공기와 함께 흡수탑 내부로 주입 하였다. 각 실험 측정은 유동이 충분히 안정화된 후 20분 동안 이루어졌고, 총 5회 반복 실험을 진행하였다. 결과 분석을 위한 오차막대의 경우 표준편차의 1배수 범위를 사용하였다.
평균 입도가 20 μm인 석회석 가루를 물과 4 : 6 wt% 비율로 혼합하여 슬러리를 만들어서 100 L 용량의 탱크에 담아두고, 교반기를 사용하여 계속 휘저어주면서 석회석 가루가 침전되는 것을 방지하였다. 그림 4에서와 같이, 송풍기를 통해 유입된 공기가 HEPA 필터로 여과된 뒤 흡수탑의 아래에서부터 위로 흐르는 상황에서 full cone nozzle (KJ1/2FF-SS32, 국제노즐, 대한민국)을 사용하여 아래쪽을 향해 석회석 슬러리를 분무하였다. 여기서 3 bar의 분무 작동 압력 조건을 설정하였다.
다음으로 흡수탑 내에서 석회석 슬러리가 분무되는 상황을 가정하여, 전기집진기가 석회석 슬러리 입자를 포집하는 특성을 정성적으로도 파악하였다. 그림 8a는 교반기가 작동되고 있는 물탱크 내 석회석 슬러리를 스포이드를 사용하여 채취한 뒤 TEM grid에 한 방울 떨어뜨리고 건조시킨 시료를 준비하여 SEM 사진을 촬영한 것이다.
다음으로, 석회석 슬러리를 흡수탑 내에서 분무하여 석회석 슬러리 입자가 전기집진기에서 제거되는 특성을 파악하는 실험을 진행하였다. 평균 입도가 20 μm인 석회석 가루를 물과 4 : 6 wt% 비율로 혼합하여 슬러리를 만들어서 100 L 용량의 탱크에 담아두고, 교반기를 사용하여 계속 휘저어주면서 석회석 가루가 침전되는 것을 방지하였다.
두 가지 형상의 방전극에 대하여 –20 kV 미만의 전압에서는 코로나 방전이 충분히 발생하지 않았고 –30 kV을 초과하는 전압에서는 절연파괴로 전압의 인가가 불가능했으므로, –20 kV 및 –30 kV의 인가전압 조건에서 전기집진기의 포집효율을 측정하였다.
5이다 (Hassan and Lau, 2009). 또 한편으로는 전기집진기 전과 후의 위치에서 석회석 슬러리 입자를 Mini Particle Sampler (MPS, Domaine Technologique, France)를 사용하여 TEM grid에 포집한 뒤 TEM grid에 포집된 입자의 형상 및 화학성분을 Scanning Electron Microscope (SEM, S4800, HITACHI, Japan)를 사용하여 분석하였다.
전기집진기 전과 후의 위치에서 OPC를 사용하여 석회석 슬러리 입자의 수농도를 측정하였다. 이 때 높은 습도 조건에 따른 OPC의 오작동 및 고장을 방지하기 위해서, 석회석 슬러리 에어로졸을 mixing chamber 내에서 깨끗한 공기로 희석하여 측정하였다. OPC로 측정된 석회석 슬러리 입자의 크기를 식 (2)를 사용하여 공기역학적직경으로 환산하였다.
여기서 3 bar의 분무 작동 압력 조건을 설정하였다. 전기집진기 전과 후의 위치에서 OPC를 사용하여 석회석 슬러리 입자의 수농도를 측정하였다. 이 때 높은 습도 조건에 따른 OPC의 오작동 및 고장을 방지하기 위해서, 석회석 슬러리 에어로졸을 mixing chamber 내에서 깨끗한 공기로 희석하여 측정하였다.
결과 분석을 위한 오차막대의 경우 표준편차의 1배수 범위를 사용하였다. 전기집진기의 전과 후에서의 Arizona Test Dust를 에어로졸 상태로 샘플링 하고 Optical Particle Counter (OPC, Model 1.109, GRIMM, Germany)를 사용하여 수농도 분포를 측정 하였다. 전기집진기의 포집효율(η)은 다음의 식을 사용하여 구하였다.
평균 입도가 20 μm인 석회석 가루를 물과 4 : 6 wt% 비율로 혼합하여 슬러리를 만들어서 100 L 용량의 탱크에 담아두고, 교반기를 사용하여 계속 휘저어주면서 석회석 가루가 침전되는 것을 방지하였다.
표 1에 나타낸 6가지 형상의 전기집진기에 대하여, 방전극에는 전압을 인가하였고 집진판은 접지하였다. 한편, 포집효율을 측정하기 위하여 Solid Aerosol Generator (SAG 410, TOPAS, Germany)를 사용하여 Arizona Test Dust를 발생하고 깨끗한 공기와 함께 흡수탑 내부로 주입 하였다. 각 실험 측정은 유동이 충분히 안정화된 후 20분 동안 이루어졌고, 총 5회 반복 실험을 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 화력발전소에서 SOx를 저감시키기 위해 사용되는 습식 배연탈황설비의 흡수탑을 고려하였다. 습식 배연탈황설비의 흡수탑에서는 황산화물 제거를 위하여 석회석 슬러리를 사용하는데 이 과정에서 spray nozzle을 통해 석회석 슬러리를 분무하여 황산화물을 제거한다.

데이터처리

각 실험 측정은 유동이 충분히 안정화된 후 20분 동안 이루어졌고, 총 5회 반복 실험을 진행하였다. 결과 분석을 위한 오차막대의 경우 표준편차의 1배수 범위를 사용하였다. 전기집진기의 전과 후에서의 Arizona Test Dust를 에어로졸 상태로 샘플링 하고 Optical Particle Counter (OPC, Model 1.
따라서 본 연구에서는 전기집진기의 습분제거기 대체 가능성에 대하여 분석하기 위하여 전기집진기의 포집효율을 측정하고 이를 습분제거기의 포집효율과 비교하였다. 이를 위해, 그림 1에 보이는 습분제거기에 대한 기존 연구(Kim et al., 2018)의 결과와 비교하였다.

성능/효과

2가지 방전극 형상과 3가지 집진판 형상을 활용하여 총 6가지 형상의 전기집진기를 고려하였다. Arizona Test Dust 를 활용하여 전기집진기의 포집효율을 측정하고 이를 기존의 습분제거기 포집효율과 비교한 결과, 같은 유량을 처리할 때 전기집진기의 포집효율이 습분제거기를 대체할 수 있을 정도로 충분히 높은 수준인 것으로 나타났다. 한편, 실제 습식 배연탈황설비 내에서 분무되는 석회석 슬러리 입자에 대한 포집 및 SEM 사진 촬영을 진행하여 전기집진기의 포집 특성을 정량적뿐만 아니라 정성적으로 분석한 결과, 전반적으로 전기집진기가 습분제거기보다 더 높은 포집효율을 가지고 더 작은 크기의 입자까지 집진할 수 있는 것으로 확인되었다.
한편, 표 2는 TEM grid에 포집된 입자의 화학성분을 분석하기 위해 EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다. C, O, Ca 성분 함량의 원자비가 약 1.4 : 3.4 : 1로 나타났는데, SEM 사진 분석 등을 위해 TEM grid에 부착된 carbon tape 등의 영향을 고려하면 실험에 사용된 입자가 석회석으로 이루어진 것임을 확인할 수 있었다. 그림 8b, 8c, 8d는 각각 전기집진기 또는 습분제거기의 전단부, 습분제거기의 후단부, 그리고 전기집진기의 후단부에서 석회석 슬러리 입자를 포집한 결과를 나타낸 것이다.
5 kV이었고 sextuple spike 방전극의 경우에는 약 –16 kV이었다. 따라서 같은 인가전압 조건일 때 saw-tooth 방전극이 sextuple spike 방전극보다 더 많은 양의 전류를 방전하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로 부터, 흡수탑 내의 기존 습분제거기를 전기집진기로 대체할 경우 습분 및 입자상 물질에 대한 제거효율을 개선할 수 있음을 확인하였다.
이와는 달리 방전극 형상이 바뀌면 포집효율에 큰 차이를 보인 바, sextuple spike 방전극에 비하여 saw-tooth 방전극의 경우에 있어서 포집효율이 더 높게 나타났다. 이는 그림 5에서와 같이, 인가전압이 같은 조건에서는 saw-tooth 방전극이 더 많은 양의 전류를 방전하기 때문인 것으로 판단된다.
한편, 각각의 방전극에 대해서 석회석 슬러리 에어로졸의 분무 여부에 상관없이 거의 동일한 전류-전압 특성 곡선이 나타났다. 두 가지 형상의 방전극에 대하여 –20 kV 미만의 전압에서는 코로나 방전이 충분히 발생하지 않았고 –30 kV을 초과하는 전압에서는 절연파괴로 전압의 인가가 불가능했으므로, –20 kV 및 –30 kV의 인가전압 조건에서 전기집진기의 포집효율을 측정하였다.
한편, 습분제거기의 포집효율과 비교해 볼 때 6가지의 모든 전기집진기 형상에 대하여 8 μm 이하 크기의 입자에서 전기집진기의 포집효율이 보다 높음을 확인하였다.
Arizona Test Dust 를 활용하여 전기집진기의 포집효율을 측정하고 이를 기존의 습분제거기 포집효율과 비교한 결과, 같은 유량을 처리할 때 전기집진기의 포집효율이 습분제거기를 대체할 수 있을 정도로 충분히 높은 수준인 것으로 나타났다. 한편, 실제 습식 배연탈황설비 내에서 분무되는 석회석 슬러리 입자에 대한 포집 및 SEM 사진 촬영을 진행하여 전기집진기의 포집 특성을 정량적뿐만 아니라 정성적으로 분석한 결과, 전반적으로 전기집진기가 습분제거기보다 더 높은 포집효율을 가지고 더 작은 크기의 입자까지 집진할 수 있는 것으로 확인되었다. 이러한 결과로 부터, 흡수탑 내의 기존 습분제거기를 전기집진기로 대체할 경우 습분 및 입자상 물질에 대한 제거효율을 개선할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과로 부터, 흡수탑 내의 기존 습분제거기를 전기집진기로 대체할 경우 습분 및 입자상 물질에 대한 제거효율을 개선할 수 있음을 확인하였다. 단, 인가전압이 높아질수록 전력 소모량이 증가하는 전기집진기의 특성을 고려해 볼 때, 습분제거기를 전기집진기로 대체하는 경우에 대한 에너지 측면에서의 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 향후 흡수탑 성능 개선을 위한 상용 전기집진기 개발을 위한 자료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
단, 인가전압이 높아질수록 전력 소모량이 증가하는 전기집진기의 특성을 고려해 볼 때, 습분제거기를 전기집진기로 대체하는 경우에 대한 에너지 측면에서의 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 향후 흡수탑 성능 개선을 위한 상용 전기집진기 개발을 위한 자료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세먼지는 무엇인가?	특히 한국사회에서는 미세먼지 문제가 중요한 문제로 떠올랐다. 미세먼지는 공기 중에 부유하는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)로써 크기에 따라 10 µm 이하는 PM 10 , 2.5 µm 이하는 PM 2.5 로 표기한다. 미세먼지는 작은 크기로 인해 인체의 기관지에서 걸러지지 않고 그대로 폐로 유입됨으로써 여러 질병의 발병에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 (Chung et al.
	전기 집진기의 장점은 무엇인가?	5 와 같은 작은 입자에 대해서는 포집효 율이 급격히 나빠지는 경향성을 보인다. 한편, 전기 집진기는 인가전압의 증가에 따라 큰 입자뿐만 아니라 PM 2.5 의 작은 입자에 대한 포집효율도 높아질수 있으며 압력강하 또한 낮아 상대적으로 큰 동력이 필요하지 않다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에 서는 전기집진기의 습분제거기 대체 가능성에 대하여 분석하기 위하여 전기집진기의 포집효율을 측정 하고 이를 습분제거기의 포집효율과 비교하였다.
	배연탈황설비의 흡수탑에서 발생되는 입자상 물질을 제거하기 위해 사용하는 기존 방법은 무엇이고 그 방법의 한계점은 무엇인가?	석회석 슬러리와 황산화물의 반응을 통하여 황산화물이 제거되지만, 이과정에서 많은 양의 입자상 물질이 발생된다. 발생된 입자상 물질은 흡수탑 내의 습분제거기(mist eliminator)에서 상당량 포집되지만, 습분제거기는 관성집진기의 일종이므로 큰 입자에 대한 포집효율은 높으나 PM 2.5 와 같은 작은 입자에 대해서는 포집효 율이 급격히 나빠지는 경향성을 보인다. 한편, 전기 집진기는 인가전압의 증가에 따라 큰 입자뿐만 아니라 PM 2.

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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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