[논문]석탄 화력 보일러에서의 응집제 이용에 따른 초미세먼지 거동

류환우; 송병호

doi:10.14478/ace.2019.1083

석탄 화력 보일러에서의 응집제 이용에 따른 초미세먼지 거동
Effect of Coagulants on the Behavior of Ultra Fine Dust in a Coal Firing Boiler 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.1, 2020년, pp.84 - 89

류환우 (군산대학교 화학공학과) , 송병호 (군산대학교 화학공학과)

초록
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초미세먼지로 분류되는 PM_2.5 (particulate matter under 2.5 ㎛) 중에서도 특히 sub-micron 입자(0.1~1.0 ㎛)의 먼지는 브라운 운동(Brownian motion)으로 집진장치의 효율에 한계를 준다. 따라서 수산화나트륨으로 활성화된 알루미늄산나트륨(NaAlO₂)을 응집제(coagulant)로 선택하여 석탄을 사용하는 유동층 보일러에서 석탄의 회분에 포함된 칼륨(K)과 PM_2.5의 입도분포의 거동과 영향을 확인하고자 했다. 그리고 응집제를 석탄의 무게대비 1,200 : 1 비율로 석탄에 혼합 및 분사하면서 정상 운전하는 중에 보일러의 싸이클론에서의 미세먼지(FP)와 전기집진기에서의 미세먼지(EP)를 포집 및 고찰하였다. 포집한 미세먼지를 입도분석기를 이용하여 입도분포(%)를 분석한 결과 FP에서 평균 4.87%에서 0.51%로 변화를 보임으로써 89.53% 감소하였다. EP에서의 평균 3.46%에서 0.40%로 변화를 보임으로써 88.57% 감소하였다. 포집한 미세먼지를 XRP로 칼륨을 추적한 결과 칼륨의 변화율은 FP에서 평균 1.65%에서 1.87%로 13.33% 증가하고, EP에서 평균 1.65%에서 2.03%로 17.68% 증가하였다. TMS에 의해서 확인된 총 미세먼지 농도(mg/㎥)는 1차는 2.6 mg/㎥에서 1.7~1.9 mg/㎥로 26.9~34.6% 감소하였으며, 2차는 평균 2.9 mg/㎥에서 1.7~1.9 mg/㎥로 33.3~40.4%가 감소하였다. 따라서 본 연구의 응집제가 PM_2.5 초미세먼지 입자의 크기와 그로 인한 집진장치효율에 크게 영향을 미치는 것으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Particulate matters of PM2.5, particularly focusing on 0.1~1 ㎛ decrease the efficiency of dust-collector due to the brownian-motion. This study is to verify the effect of coagulant on the particle size distributions of potassium and PM2.5. The activated coagulant was spayed to the coal fired fluidized bed combustion boiler by the weight ratio of 1,200 : 1 = coal : coagulant, and the size distributions of captured particles at both the cyclone (FP) and electrostatic precipitator (EP) were measured. As the result of XRP analysis, the potassium content of FP increased to 13.33% (averagely from 1.65% to 1.87%) and, in EP at 17.68% (averagely from 1.65% to 2.03%). And it was confirmed by the particle size distribution analyzer and SEM image analysis that the distribution rates of PM2.5 decreased at 89.53% on average in FP, and at 88.57% in EP. The total dust concentration (mg/㎥) confirmed by tele-monitering system (TMS) decreased during the primary test from 2.6 to 1.7~1.9 and also the secondary test from 2.9 to 1.7~1.9.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Proximate Analysis and Ultimate Analysis
표 Table 2. Ash Analysis
그림 Figure 1. Facility process of coal-fired fluidized bed boiler.
그림 Figure 2. Schematic diagram of FP particle collecting process.
표 Table 3. Operating Conditions and TMS Dust Concentration (mg/m³)
그림 Figure 3. Coagulant image of no heating (a) and coagulant image of heating (b).
표 Table 4. Analysis of Particle-size Distribution (%) of FP & EP
그림 Figure 4. Analysis result of distribution (%) of FP particle.
그림 Figure 5. Image analysis of FP particle.
표 Table 5. Changed Rate (%) of Potassium (w%) after Adding Coagulant
표 Table 6. TMS Total Dust Concentration (mg/m³)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 알카리로 활성화된 알루미늄산나트륨을 미세먼지의 응집제로 선정하고, 석탄을 사용하여 고온으로 운전 중인 보일러에서 적용 및 시험하여 미세먼지를 포집한 다음에 TEM, XRF, 그리고 입도분석기와 SEM을 이용하여 응집제가 sub micron을 포함한 PM_2.5의 입자분포와 칼륨 그리고 그로 인한 집진장치의 효율에 어떤 영향을 주는지를 고찰하였다.

제안 방법

본 실험에서 사용한 응집제를 상온에서 수분을 제거하고 가열하지 않은 응집제 (a)와 상온에서 수분을 제거하고 로에서 800 ℃로 고온 소성한 응집제 (b)의 미세구조의 차이를 nanometer 단위로 관찰하기 위하여 transmission electron microscope (Talos-F-200-X, ETH, Swiss)을 이용하여 표면 상태의 이미지를 분석하였다. 첫 번째 가열하지 않은 응집제는 Figure 3(a)와 같이 다공성이 낮으나, 가열한 응집제는 Figure 3(b)와 같이 다공성이 높은 물질로 변화되었다.
배기가스와 미세먼지를 함께 흡입 후 미세먼지들은 매 30 min씩 finger filter에서 포집하고 배기가스만 유량계와 진공 펌프를 통해 대기 중으로 배출하였다. EP는 전기집진기에서 회분(ash)를 샘플링하여 회분 내 미세먼지를 분석하였다.
Table 3과 같은 보일러 운전조건에서 응집제를 첨가하기 전 3 day 간 동일한 부하로 보일러를 정상적으로 운전하면서 포집 및 샘플링하였으며, 응집제를 첨가하고 보일러를 정상적으로 운전하면서 포집 및 샘플링하였다. 보일러가 운전 중에 석탄을 연소로에 공급하기 위한 conveyor가 작동하면, 이송되고 있는 석탄의 표면에 응집제를 석탄 무게(kg)를 기준으로 ‘연료 : 응집제 = 1,200 : 1’의 비율로 sampling 3 day 전부터 매일 24 h 투입하였다.
더불어 Table 1과 같은 조건으로 운전하면서 집진기 후단의 굴뚝에 설치된 먼지분석기는 auto collimation (이중측정경로, 고감도)의 측정 광원을 채택한 다중분할방식(TDM)으로 작동하며 extinction 값을 미세먼지 농도를 질량(mass) 단위로 변환하여 나타냄으로 이를 이용하여 미세먼지 농도(dust concentration, mg/m³)를 30 min간씩 16회 실시간으로 monitoring하여 평균하였다.
더불어 미세먼지의 입자크기 변화를 SEM (scanning electron microscope, Nova NANO-SEM-450, FEI, Swiss)의 이미지 분석을 사용하여 고찰하였다. Figure 5에 사이클론 후단에서 포집한 미세먼지(FP)의 표면 상태와 이미지의 변화를 나타냈다.
보일러가 운전 중에 석탄을 연소로에 공급하기 위한 conveyor가 작동하면, 이송되고 있는 석탄의 표면에 응집제를 석탄 무게(kg)를 기준으로 ‘연료 : 응집제 = 1,200 : 1’의 비율로 sampling 3 day 전부터 매일 24 h 투입하였다.
Figure 2는 사이클론 후단에서 미세먼지를 포집하는 장치 및 방법을 나타낸다. 사이클론 후단에서 미세먼지 포집 과정 중 모든 계통 내에 부착되어 있는 이물질 및 미세먼지 등을 제거하기 위하여 공정 중의 압축공기를 분무하여 청소하였고, 모든 공정에 leak 없이 연결되었는지를 확인하고, filter kit에 finger type 필터를 조립하고 진공 펌프를 작동시켜 배기가스를 흡입하는 공정으로 구성하였다. 압력계와 유량계를 통해 배기가스의 흡입상태를 점검하고, filter kit에 부착된 온도계를 통해 유입되는 배기가스 온도를 확인하고, 배기가스가 계속적으로 흡입되면 약 270 ± 50 ℃ 이상을 유지할 수 있도록 하고, 또 필터를 통과한 배기가스가 응축될 경우 응축수를 제거할 수 있도록 공정을 구성했다.
알루미늄산나트륨(NaAlO₂ , 대명케미칼) 5 g, 알카리 수용액인 수산화나트륨(NaOH 25% 용액, 한솔케미칼) 25 g, 그리고 borax (터키 산) 0.5 g을 물 70 g의 비율로 완전히 용해시키면서 혼합하여 응집제를 만들었다.
압력계와 유량계를 통해 배기가스의 흡입상태를 점검하고, filter kit에 부착된 온도계를 통해 유입되는 배기가스 온도를 확인하고, 배기가스가 계속적으로 흡입되면 약 270 ± 50 ℃ 이상을 유지할 수 있도록 하고, 또 필터를 통과한 배기가스가 응축될 경우 응축수를 제거할 수 있도록 공정을 구성했다.
응집제에 의한 미세먼지의 입도변화에 대한 효과 검증을 위하여 두 가지 위치 및 먼지에 대해 측정하였다. 하나는 사이클론 후단에서 미세입자를 포집하여 분석하는 방법(fine particle: FP)으로 후술하는 방법으로 미세먼지 포집장치를 통해 30 min간씩 연속적으로 16회 포집한 sample을 혼합 및 균질화하였으며, 또 하나는 전기집진기의 회분 (ash)을 30 min간씩 16회 샘플링하여 혼합 및 균질화하여 미세먼지의 입자크기를 분석하는 방법(EP particle: EP)이다.

대상 데이터

Figure 1은 보일러 설비의 공정개요를 나타내며, 응집제는 coal + additive (검은 화살표)의 위치에서 석탄과 함께 800 ~850 ℃ 고온으로 운전 중인 보일러 내에 투입된다. 선정된 보일러는 가장 전형적인 순환유동층 형식으로 유연탄을 주요 연료로 사용한다. 보일러의 주요구성은 비산 회분의 포집과 회분의 순환을 위한 사이클론, 대류전열부의 과열증기관, 절탄기(보일러수의 예열), 공기예열기, 연소 배기가스 중 미세먼지 제거를 위한 전기집진기이며, 굴뚝(stack) 전단에 SO₂ 제거를 위한 습식 FGD (flue gas de-sulfuration)와 TMS (tele-monitering system: OMD 41 Dust Analyzer, USA)를 갖추고 있어 응집제의 효과를 관찰하기에는 적절한 조건을 가지고 있다.
실험을 위해 Tables 1과 2에 요약한 특성을 가진 석탄을 사용하는 유동층 보일러를 선정하였다. 보일러의 연소방식은 순환유동층, 증기 압력과 온도는 60 kg/cm² , 484 ℃, 증기 발생량은 60 ton/h, 전력 용량은 9.

성능/효과

53% 감소하였다. EP에서 무첨가의 경우 1차 4.44%, 2차 2.47%, 평균 3.46%였으며, 첨가의 경우 1차 0.63%, 2차 0.16%, 평균 0.40%로 88.57% 감소하였다.
53% 감소하였다. EP에서의 분포율은 coagulant가 없는 경우 1차 4.44%, 2차 2.47%, 평균 3.46%였으며, coagulant가 있는 경우 1차 0.63%, 2차 0.16%, 평균 0.40% 감소함으로써 평균 88.57% 감소하였다.
TMS에 의해서 확인된 총 미세먼지 농도(mg/m³)는 1차에는 2.6 mg/m³에서 1.7~1.9 mg/m³로 26.9~34.6% 감소하였으며, 2차에는 3.1 mg/m³에서 1.7~1.9 mg/m³로 38.7~45.2% 감소하여 평균 2.9 mg/m³에서 1.7~1.9 mg/m³로 33.3~40.4%가 감소하였다.
0 µm) 크기 미세먼지의 일부(약 25%) 만 제거되고 나머지는 굴뚝을 통하여 배출된다[11,12]. 따라서 TMS에 의해서 확인된 집진장치와 FGD의 후단에 있는 굴뚝에서의 총 미세먼지 농도(dust concentration, mg/m³)를 고찰해보면 Table 6과 같이 1차에는 coagulant가 없는 경우 2.6 mg/m³에서, coagulant가 있는 경우 1.7~1.9 mg/m³로 26.9~34.6% 감소하였으며, 2차에는 coagulant가 없는 경우 3.1 mg/m³에서, coagulant가 있는 경우 1.7~1.9 mg/m³로 38.7~45.2% 감소함으로써, 평균하여 coagulant가 있는 경우에는 2.9 mg/m³이었고 coagulant가 있는 경우에는 1.7~1.9 mg/m³로 33.3~40.4%가 감소하였다.
따라서 본 연구에서의 응집제는 알카리 토금속보다도 quartz 등의 녹는점에 크게 영향을 주는 나트륨으로 활성화된 것으로 미세먼지 표면에 ‘Si-Na-Al’ 를 형성하여 미세먼지의 입자를 크게 하였다고 추정할 수 있다[10].
따라서 본 연구의 응집제가 집진장치에 한계를 주는 sub-micron 입자를 포함하는 PM _2.5 초미세먼지 입자와 그로 인한 집진장치효율에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
수산화나트륨에 용해된 알루미늄산나트륨을 800 ℃로 가열하여 TEM 으로 다공성으로 활성화됨을 확인하고, 이를 응집제로 석탄을 사용하여 고온으로 운전 중인 유동층 보일러에 분사 및 투입하고 포집하여 입도분석기와 SEM을 이용하여 분석 관찰한 결과, PM2.5 (particulate matter under 2.5 µm) 분포율은 FP에서 무첨가의 경우 1차 4.46%, 2차 5.28%, 평균 4.87%였으며, 첨가의 경우 1차 0.83%, 2차 0.19%, 평균 0.51% 감소함으로써 89.53% 감소하였다.
응집제의 영향을 확인하기 위해 PM2.5 (particulate matter under 2.5 µm)를 살펴보면 FP에서 분포율은 coagulant가 없는 경우 1차 4.46%, 2차 5.28%, 평균 4.87%였으며, coagulant가 있는 경우 1차 0.83%, 2차 0.19%, 평균 0.51% 감소함으로써 89.53% 감소하였다.
포집한 미세먼지를 XRP로 칼륨을 추적한 결과 칼륨의 변화율은 FP에서 1.65%에서 1차 1.79%, 2차 1.96% 평균 1.87%로 13.33% 증가하고, EP에서 1.65%에서 1차 1.93%, 2차 2.12%, 평균 2.03%로 17.68% 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오매스를 연료로 사용하는 연소로에서 사용하되는 응집제는 무엇인가?	칼륨과 같은 원소를 많이 포함하고 있는 wood-chip과 같은 바이오매스를 연료로 사용하는 연소로에서 응집제로 사용되는 카오린(kaolinite)은 알루미늄화합물로 clay mineral로 구성된 점토 광물이다. 화학식은 광물학적으로는 Al2Si2O5(OH)4이고 재료공학적으로는 Al2O3⋅2SiO2⋅2H2O이다.
	카오린이란 무엇인가?	칼륨과 같은 원소를 많이 포함하고 있는 wood-chip과 같은 바이오매스를 연료로 사용하는 연소로에서 응집제로 사용되는 카오린(kaolinite)은 알루미늄화합물로 clay mineral로 구성된 점토 광물이다. 화학식은 광물학적으로는 Al2Si2O5(OH)4이고 재료공학적으로는 Al2O3⋅2SiO2⋅2H2O이다.
	카오린의 광물학적, 재료공학적 화학식은 어떻게 되는가?	칼륨과 같은 원소를 많이 포함하고 있는 wood-chip과 같은 바이오매스를 연료로 사용하는 연소로에서 응집제로 사용되는 카오린(kaolinite)은 알루미늄화합물로 clay mineral로 구성된 점토 광물이다. 화학식은 광물학적으로는 Al2Si2O5(OH)4이고 재료공학적으로는 Al2O3⋅2SiO2⋅2H2O이다. 카오린은 고온으로 운전 중인 연소로에서 칼륨 등의 흡착 및 응집 속성이 연구된 바가 있으며 잠재적인 흡착 및 응집제로 인정받고 있다.

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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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