With continuous industrial development, the types, and amount of particulate matter (PM) have been increasing. Since 2018, environmental standards regarding PM have become more stringent. Pulse air jet bag filters are suitable for PM under the 20 ㎛ and, can function regardless of size, concen...
With continuous industrial development, the types, and amount of particulate matter (PM) have been increasing. Since 2018, environmental standards regarding PM have become more stringent. Pulse air jet bag filters are suitable for PM under the 20 ㎛ and, can function regardless of size, concentration and type. Filtration velocity and shape are important factors in the operation and design of the pulse air jet bag filters however, few established studies support this theory. In this research, numerical simulations were conducted based on experimental values and, several methods were employed for minimizing the pressure drop. In the pilot system, as the inlet duct velocity was faster than 19 m/sec, flow was not distributed equally and, re-entrainment occurred due to the hopper directional vortex. The multi-inlet system decelerated the hopper directional vortex by 25 ~ 30%, thereby decreasing total pressure drop by 6.6 ~ 14.7%. The guide vane system blocked the hopper directional vortex, which resulted optimal vane angle of 53°. The total pressure of the guide vane system increased by 0.5 ~ 3% at 1.5 m/min conditions. However, the filtration pressure drop decreased by 4.8 ~ 12.3% in all conditions, thereby reducing the operating cost of filter bags.
With continuous industrial development, the types, and amount of particulate matter (PM) have been increasing. Since 2018, environmental standards regarding PM have become more stringent. Pulse air jet bag filters are suitable for PM under the 20 ㎛ and, can function regardless of size, concentration and type. Filtration velocity and shape are important factors in the operation and design of the pulse air jet bag filters however, few established studies support this theory. In this research, numerical simulations were conducted based on experimental values and, several methods were employed for minimizing the pressure drop. In the pilot system, as the inlet duct velocity was faster than 19 m/sec, flow was not distributed equally and, re-entrainment occurred due to the hopper directional vortex. The multi-inlet system decelerated the hopper directional vortex by 25 ~ 30%, thereby decreasing total pressure drop by 6.6 ~ 14.7%. The guide vane system blocked the hopper directional vortex, which resulted optimal vane angle of 53°. The total pressure of the guide vane system increased by 0.5 ~ 3% at 1.5 m/min conditions. However, the filtration pressure drop decreased by 4.8 ~ 12.3% in all conditions, thereby reducing the operating cost of filter bags.
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문제 정의
따라서 본 연구는 현재 산업체에 가장 많이 이용되고있는 충격기류식 여과집진장치 (Pulse air jet bag filter)의 압력손실 실측 실험 결과를 바탕으로, 입구 덕트 형상 변화에 따른 압력손실 예측 및 최소화 연구를 수행하였다. 다양한 조건에서의 예측 및 실험이 불가능한 영역을 예측하기 위해서 Navier-Stokes 방정식의 해석이 가능한 수치해석 시뮬레이션을 통해 압력손실 예측 및 최소화 방안을 제시하여 여과집진기의 설계 기초 자료로 활용하고자 하였다.
따라서 본 연구는 현재 산업체에 가장 많이 이용되고있는 충격기류식 여과집진장치 (Pulse air jet bag filter)의 압력손실 실측 실험 결과를 바탕으로, 입구 덕트 형상 변화에 따른 압력손실 예측 및 최소화 연구를 수행하였다. 다양한 조건에서의 예측 및 실험이 불가능한 영역을 예측하기 위해서 Navier-Stokes 방정식의 해석이 가능한 수치해석 시뮬레이션을 통해 압력손실 예측 및 최소화 방안을 제시하여 여과집진기의 설계 기초 자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
14는 다공판의 형상으로 좌측 다공판은 기존 덕트 면적의 25%, 우측 다공판은 기존 덕트 면적의 33%수준으로 설계되었다(Burton and Smith, 1975; Sahinand Ward, 1978). 가스의 유속, 유량을 적절하게 분배하기 위해 세 개의 다공판을 배치하였다. 유동해석 결과 여과속도 1.
본 실험에서는 여과면적 6 m2인 Pilot 충격기류식 여과집진장치를 이용하여 여과속도, 입구농도, 벤츄리 설치 조건에 따라 여과포의 압력손실을 측정하였다. 실험에 사용된 분진은 P제철소 coke공장의 여과집진장치에서 포집된 것이며, 평균입경은 57.
여과집진기의 운전조건을 최적화하고, 집진기 형상과 여과속도 변화에 따른 압력손실을 예측하기 위해 수치해석 시뮬레이션을 활용, pilot 충격기류식 여과집진설비와 다중 입구 방식, 다공판, 가이드 베인이 적용된 집진설비 의 내부 유동해석을 수행하였다. 기존 집진설비의 경우 집진기 입구 속도가 19 m/sec 이상으로 빨라, 여과포로 유입되기 전에 집진기 벽면에 강하게 충돌하고 호퍼 방향으로 강한 와류를 형성하여 분진의 재비산이 발생하며, 가스가 여과포 전체로 고루 분배되지 않아 압력손실이 높게 형성됨을 알 수 있었다.
다중 입구 덕트 집진기는 기존 형상 집진기 보다 압력손실을 줄일 수 있는 장점이 있지만 가동중인 집진기의 경우 기존 덕트의 직경이 변화되어 새로 설치하는 추가비용과 설치 공간을 고려하여야 한다. 추가 비용 최소화및 설치공간을 고려하여 입구 덕트에 다공판을 설치하여 유동해석을 진행, 압력손실 변화를 예측하였다
기존 집진기에서는 19 m/sec 이상의 빠른 입구 유속으로 인해 함진가스가 여과포로 유입되기 전 벽면과 강하게 충돌하여 호퍼 방향으로 와류가 발생하고 가스가 불균일하게 분배되어 입구 근처 여과포에는 집진이 잘이루어지지 않는 문제가 발생하였다. 함진가스를 여과포에 고루 분배하고 호퍼 방향으로 와류를 방지하여 압력손실을 최소화하기 위해 다중 입구 덕트 (duct) 집진방식 을 고안하였으며 형상은 Fig. 9에 나타내었다.
대상 데이터
본 실험에서는 여과면적 6 m2인 Pilot 충격기류식 여과집진장치를 이용하여 여과속도, 입구농도, 벤츄리 설치 조건에 따라 여과포의 압력손실을 측정하였다. 실험에 사용된 분진은 P제철소 coke공장의 여과집진장치에서 포집된 것이며, 평균입경은 57.33 ㎛, 진비중은 1.78이다. 실험용 여과포는 실제 산업현장에서 가장 널리 사용되는 폴리에스테르 여과포로서 크기 Ø 140 × L 850를 16개 사용하였다.
실험용 여과포는 실제 산업현장에서 가장 널리 사용되는 폴리에스테르 여과포로서 크기 Ø 140 × L 850를 16개 사용하였다.
데이터처리
충격기류식 집진기에서 측정한 실측 압력손실 결과를 바탕으로, 수치해석 시뮬레이션을 통해 집진기 내부 유동 특성 및 압력 분포를 예측하였으며, 해석 프로그램은ANSYS Fluent 19.0 software를 활용하였다. 집진기 형상 및 해석 영역은 Fig.
이론/모형
2010). 본 연구에서는 집진기 내부 유체의 전체적인 거동을 모사하고 해석시간의 단축을 위해 RANS 모델 중 가장 널리 이용되며 비압축성 유동 해석에 적합한 k-\(\epsilon\) 모델을 이용하였다. k는 난류강도, \(\epsilon\)은 난류 소산율로, 유체의 속도에 따른 난류에너지 강도와 난류혼합길이에 따른 난류 에너지 소산율을 바탕으로 유체를 모사한다.
지배방정식은 유체 거동 해석을 위한 기본 조건으로, 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식이 포함된 Navier-Stokes 방정식을 지배방정식으로 이용, 유체의 거동을 해석하였다.
성능/효과
3 Pa로 나타났다. Fig. 16과 같이 다공판 설치 시 여과포로 인한 압력손실은 약 196 Pa로 기존 형상에 비해 압력손실이 2% 감소하였다.
가이드 베인은 깃 구조가 매우 간단하고, 기존 집진기에 쉽게 적용이 가능하며, 적은 압력 손실로도 와류를 차단하여 재비산의 방지, 함진 가스의 균일한 분배가 가능한 것으로 나타났다. 효과적인 와류 차단과 가스 분배를 위한 가이드 베인의 최적 각도는 약 53° 이며, 가이드 베인을 적용할 경우 여과속도 1.
가이드 베인의 깃이 가스의 호퍼 방향으로의 흐름을 차단하여 분진의 재비산을 매우 효율적으로 방지하고 여과포 전체에 가스를 고루 분배할 수 있는 가이드 베인의 최적각도는 약 53°임을 알 수 있었다.
기존 형상 집진기와 유사하게 호퍼 방향으로 와류는발생하나 속도는 0.75 ~ 3.5 m/sec로 기존 집진장치보다 25 ~ 30% 감소하여 분진의 재비산 위험이 줄어들 것으로 판단된다. Fig.
기존 Pilot 집진기의 입구 덕트 직경은 약 100 mm로 매우 강한 난류가 발생하여 다공판에 의한 저항이 증가하게 된다. 다공판으로 인해 여과포 주변 영역에서 유체의 최대 속도 및 편차가 감소하여, 집진기 형상과 여과포에 의한 압력 손실이 약 2 ~ 5% 정도 감소되나 다공판 부분에서 압력손실이 매우 크게 발생하며, 다공판 설치는 실용성이 매우 떨어지는 것을 알 수 있었다.
5 ~ 19% 줄여 여과포 교체비용이 절감되나 입구 덕트 형상 변화로 인해 추가적인 압력손실과 비용이 발생할 것으로 판단된다. 다공판을 적용할 경우에는 강한 난류의 발달로 기존형상 대비 15배 이상의 압력손실이 발생하여 적용은 불가능 할 것으로 나타났다.
다중 입구 덕트 방식은 동일한 에너지를 가진 유체를 충돌시켜 흐름속도를 줄이고 유량을 여과포에 고루 분배시켜 기존 형상의 집진기보다 6.6 ~ 14.7% 정도 압력손실을 감소시킬 수 있을 것으로 예측되었고, 호퍼 방향으로의 와류속도도 25 ~ 30% 줄일 수 있을 것으로 예측되어 분진 재비산도 줄일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 여과포에서의 압력손실을 3.
다중 입구 덕트 설치 시 기존 집진기보다 전체 압력 손실을 6.6 ~ 14.7% 정도 줄일 수 있을 것으로 나타나나, 소형집진기의 경우 입구 덕트가 두 개로 분리되어, 덕트시스템에서 추가적인 비용 발생을 고려하여야 할 것으로 판단된다.
다중 입구 덕트 집진기의 내부 유동해석 결과 여과속도 1.5 m/min에서 집진기 형상에 의해 37.7 Pa, 여과포에서 185.4 Pa, 유체가속으로 199.0 Pa, 총 422.2 Pa의 압력손실이 발생하여 압력손실이 7.1% 감소하는 것으로 나타났다. 내부 유체 흐름 및 분포 정도는 Fig.
23에는 다공판을 제외한, 집진기 형상에 따른 압력손실 변화를 나타내었다. 다중 입구 덕트를 적용할 경우 기존 형상에 비해 전체 압력손실이 6.6 ~ 14.7% 정도감소하며, 가이드 베인을 사용할 경우 여과 속도 1.5m/min 이하 조건에서는 전체 압력손실이 2 ~ 13% 감소하고, 1.5 m/min 이상 조건에서는 0.5 ~ 3% 증가하는것으로 나타났다.
20에 나타내었다. 여과 속도가 1.5 m/min 이하일 경우 기존 집진기 형상에 비해 전체 압력손실이 2 ~ 4% 정도 감소하며, 1.5 m/min 이상에서는 0.5 ~ 3% 정도 증가하는 것으로 나타났다.여과 속도 1.
가스의 유속, 유량을 적절하게 분배하기 위해 세 개의 다공판을 배치하였다. 유동해석 결과 여과속도 1.5 m/min에서 집진기 형상에 의해 39.5 Pa, 여과포에서 195.9 Pa, 유체 가속으로 222.6 Pa, 다공판에 의해 4525.0 Pa, 총 4982.8 Pa의 압력손실이 나타났다. 다공판 설치에 따른 내부 유동 및 유속 분포는 Fig.
집진기 내부 유동 해석 결과 여과속도 1.5 m/min에서 집진기 형상에 의해 43.7 Pa, 여과포에 서 199.8 Pa, 유체 가속으로 인해 208.7 Pa, 총 452.2 Pa의 압력손실이 발생하는 것으로 예측되었다. Fig.
효과적인 와류 차단과 가스 분배를 위한 가이드 베인의 최적 각도는 약 53° 이며, 가이드 베인을 적용할 경우 여과속도 1.5 m/min 이하 조건에서는 총 압력손실이 2 ~ 13% 정도 감소되었으며, 특히 여과포에서 압력손실을 4.8 ~ 12.3% 줄일 수 있어 여과포 교체비용을 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구는 기존의 충격기류식 여과집진기 실험 결과를 토대로 집진기 내부 유동 해석 및 여러 조건에서 집진기의 압력손실 및 유체 흐름을 예측하였으며, 향후 다양한 설계조건에서 추가 실험을 통하여 여과집진기의 압력손실 최소화를 위한 추가적인 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
여과집진장치의 단점은?
, 2008). 그러나, 여과집진장치는 여과포 표면에 부착되는 입자층에 의한 과도한 압력손실로 인해 동력비가 과다하게 소요되며, 여과포에 부착된 먼지층 제거를 위한 주기적인 탈진으로 인해 운전비 상승과 여과포의 교체 등으로 인한 유지․ 보수비 등경제적 부담이 큰 단점이다(Suh et al., 2011).
여과집진기는 무엇인가?
산업시설에서 배출되는 미세먼지를 처리하기 위해 다양한 종류의 집진설비가 사용되고 있는데, 여과집진기는 입자상 오염물질 처리를 위해 가장 일반적으로 사용되는 집진설비로, 함진 가스를 여과포에 통과시켜 청정가스와 오염물질을 분리·제거 한다. 여과집진기는 입경 20 ㎛ 미만 미세 오염물질 처리에 적합하며, 적절한 여과포를 사용할 경우 오염물질의 크기, 종류, 농도에 관계없이 집진처리가 가능하다(Gabites et al.
정부에서 미세먼지에 대한 환경기준을 강화하여 시행하는 이유는?
고도 경제성장으로 인한 공업화로 업종이 다양해짐에따라 여기에 수반되어 발생되는 대기오염물질이 증가할뿐만 아니라 종류도 여러 가지로 다양해지고 있다. 특히,미세먼지는 다양한 산업 활동으로 인해 배출되며, 산업이 발전함에 따라 미세먼지의 배출량이 증가하여 심각한 대기오염의 원인이 된다(Ryu et al., 2007; Suh et al.
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