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문제 정의
- 본 논문에서는 필터의 탈진 횟수를 줄임과 동시에 분진층의 탈진효율을 향상시킬 수 있는 방법을 모색하기 위하여 가스 유입 방식에 따른 필터로의 분진 부하 특성과 그로 인한 집진장치의 차압 특성 변화를 분석하기 위한 수치해석과 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 실험장치는 크게 필터, 집진용기, 분진호퍼, 분진챔버, 가스유입구, 가스 유출구 및 흡입팬 탈진장치로 구분된다. 7개의 세라믹캔들필터 길이 (1500, 60, Pall Schumacher DS 10-20) 직경로 이루어진 필터 다발이 집진용기의 중심축을 기준으로 도 방향으로 개 설치되며 필터의 탈진 90 4 ,은 다발 단위로 이루어지도록 설계 제작되었다. 집진용기와 필터 다발 사이에는 덮개튜브(shroud tube)가 설치되어 접선 유입구를 통하여 집진용기 내로 유입되는 분진들이 필터로 직접 전달되는 현상을 차단하게 하였다 집진용기에 부착된 분진층은 고압 공기 저장조로부터 솔밸브를 통하여 분사되는 탈진가스에 의하여 필터 표면으로부터 탈진되어 하부의 호퍼로 떨어지게 된다.
- 입자상물질이 부유된 가스의 총 가지 유입 4조건에 대하여 수치해석을 수행하였다. 차단관이 있는 접선 유입구('Inlet_n_wot'), 차단관이 없는 접선 유입구 ('Inlet_t'), 유입관이 있는 수직 유입구('Inlet_t_wos'), 유입관이 없는 수직 유입구 ('Inlet_n')를 통한 가스 유입 방식에 대하여유동장 및 입자 농도장을 수치해석하였다.
- 집진장치의 가스 유량은 400 Nm3/hr, 탈진가스 압력은 2 bar, 펄싱을 위한 솔밸브의 개폐시간은 100 msec, 탈진 수행 압력은 220 mmH2O, 필터 번들간의 탈진시간 간격은 5sec로 설정하였을 때, 분진가스가 필터 지지판 중앙에 설치된수직유입구를 통하여 공급되는 경우와 집진용기상부 끝단 벽에 접하게 설치된 접선유입구를 통하여 공급되는 경우의 차압 특성을 Fig. 5에서 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 수직유입구를 통하여 분진가스가 공급될 경우, 수치해석에서 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집진용기로 공급된 분진들의 상당 부분이 필터 표면에 직접 전달되어 부착되기 때문에 부착된 분진층에 의한 차압상승이 급격하게 일어남을 알 수 있으며, 그 결과 필터의 재생을 위한 탈진이 빈번하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.
- 입자상물질이 부유된 가스의 총 가지 유입 4조건에 대하여 수치해석을 수행하였다. 차단관이 있는 접선 유입구('Inlet_n_wot'), 차단관이 없는 접선 유입구 ('Inlet_t'), 유입관이 있는 수직 유입구('Inlet_t_wos'), 유입관이 없는 수직 유입구 ('Inlet_n')를 통한 가스 유입 방식에 대하여유동장 및 입자 농도장을 수치해석하였다. 수치해석 결과 집진용기 내부의 압력 분포는 필터 전단과 후단 영역에서는 거의 균일하였지만 필터 양단의 압력에는 큰 차이를 보였다.
- 필터로의 입자 부하 특성을 제어하기 위하여 집진장치로의 서로 다른 가스 유입 방식에 따른 유동장 및 입자농도장의 변화를 비교 분석하였다.차단관이 없는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 낮았으며 유입관이 없이 집진 장치 상부 벽면 중앙의 수직 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 높게 나타났다.
대상 데이터
- 가스유입방식에 따른 집진장치의 집진 및 탈진 특성을 분석하기 위하여 Fig.4에서와 같은 IGCC 집진공정 설계용 실험장치를 구성하였다. 실험장치는 크게 필터, 집진용기, 분진호퍼, 분진챔버, 가스유입구, 가스 유출구 및 흡입팬 탈진장치로 구분된다.
- 4에서와 같은 IGCC 집진공정 설계용 실험장치를 구성하였다. 실험장치는 크게 필터, 집진용기, 분진호퍼, 분진챔버, 가스유입구, 가스 유출구 및 흡입팬 탈진장치로 구분된다. 7개의 세라믹캔들필터 길이 (1500, 60, Pall Schumacher DS 10-20) 직경로 이루어진 필터 다발이 집진용기의 중심축을 기준으로 도 방향으로 개 설치되며 필터의 탈진 90 4 ,은 다발 단위로 이루어지도록 설계 제작되었다.
데이터처리
- 수치해석을 위한 용 파일럿 집진장치의 IGCC기하형상은 과 같다 집진장치 내의 유동장 Fig.1 및 입자 농도장을 해석하기 위하여 상용 전산 프로그램 FLUENT를 이용하였다. 입자상 물질을 함유하고 있는 차원 난류 비압축성 정상 유동을 3지배하는 방정식은 유체의 연속방정식, x, y, z방향의 운동량방정식 에너지방정식과 난류모델에 따른 난류운동에너지방정식, 난류소산에너지 방정식, 입자의 운동과 궤적을 나타내는 Lagrangian 입자궤적추적모델(particle trajectory tracking model) 방정식 등으로 서로 결합(coupling)되어 있으며 이 식들을 동시에 풀어야한다.
이론/모형
- 유입구에서는 질량유량 경계조건을 이용하여 공기가 유입면에 수직하게 유입된다고 하였고, 필터 출구에서는 노이만 경계조건(Neumann)을 설정하였다. 벽면에서의 난류 방정식의 경계조건은 평형벽법칙 (equilibrium law of the wall)을 적용하였고 유입구에서의 난류 강도는 기준 1%,대표길이는 100 mm로 지정하였다 모든 벽면에서 유체는 정지조건 입자는 (no-slip condition), 부착 조건을 적용하였고 벽면에 부착되지 못한 입자들은 모두 필터에 부착되도록 설정하였다.
- 입자상 물질을 함유하고 있는 차원 난류 비압축성 정상 유동을 3지배하는 방정식은 유체의 연속방정식, x, y, z방향의 운동량방정식 에너지방정식과 난류모델에 따른 난류운동에너지방정식, 난류소산에너지 방정식, 입자의 운동과 궤적을 나타내는 Lagrangian 입자궤적추적모델(particle trajectory tracking model) 방정식 등으로 서로 결합(coupling)되어 있으며 이 식들을 동시에 풀어야한다. 유체유동은 유입구의 레이놀즈수(Re= ρuL/μ)를 기준으로 전유동장이 난류유동으로 간주되어 수치적 난류모델을 적용하여야 하며 높은 전단변형율을 고려할 수 있는 RNG k-ε 모델을 채택하였다. 장치 내부의 유동장 및 입자궤적을 계산하기 위한 계산 격자는 기하학적 구조와 격자제작용 소프트웨어인 GAMBIT을 이용하여 구성하였다.
- 유체유동은 유입구의 레이놀즈수(Re= ρuL/μ)를 기준으로 전유동장이 난류유동으로 간주되어 수치적 난류모델을 적용하여야 하며 높은 전단변형율을 고려할 수 있는 RNG k-ε 모델을 채택하였다. 장치 내부의 유동장 및 입자궤적을 계산하기 위한 계산 격자는 기하학적 구조와 격자제작용 소프트웨어인 GAMBIT을 이용하여 구성하였다. 유입구에서는 질량유량 경계조건을 이용하여 공기가 유입면에 수직하게 유입된다고 하였고, 필터 출구에서는 노이만 경계조건(Neumann)을 설정하였다.
성능/효과
- 입자 농도 분포는 유입되는 입자들 중 상당량이 집진용기 벽면에 부착 제거되고 나머지 입자들이 필터로 직접 전달되기 때문에 필터 상부 표면에서 에서와 같이 다소 높은 입자농도 분 Fig. 2(b)포를 보였다 유입관이 있는 수직 유입구를 통하여 입자상물질과 가스가 유입되는 경우 가스의 유속은 수직 유입구를 통하여 호퍼 쪽으로 직접 높은 유속의 가스가 수직 분사되기 때문에 호퍼영역에서 높은 유속 분포를 보인다. 호퍼를 지난 가스 유동은 집진용기 상부 영역에 이르러 낮은 유속으로 대류 확산되어 필터를 지나 배출되게 된다.
- 5에서 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 수직유입구를 통하여 분진가스가 공급될 경우, 수치해석에서 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집진용기로 공급된 분진들의 상당 부분이 필터 표면에 직접 전달되어 부착되기 때문에 부착된 분진층에 의한 차압상승이 급격하게 일어남을 알 수 있으며, 그 결과 필터의 재생을 위한 탈진이 빈번하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이에 반하여 분진가스가 접선유입구를 통하여 집진용기로 공급될 경우에는 덮개 튜브와 집진용기 외벽 사이를 분진들이 지나면서 상당량이 집진용기 내벽과 덮개 튜브 하부 호퍼 벽면에 부착되기 때문에 필터로 전달되는 분진량이 상당히 줄게 되어 필터 표면에 형성되는 분진층 두께의 성장 속도가 낮아짐으로 인하여 차압 상승이 아주 천천히 이루어지고 있음을 알 수 있다.
- 2(a)에서와 같이 아주 낮은 것을 알 수 있다 차단막이 없는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 유입된 가스 유동이 집진용기 벽면을 접하여 원심 유동을 형성한 후 차단막이 없기 때문에 필터 영역으로 가스가 직접 대류 확산에 의하여 전달되게 된다. 난류 운동에너지는 가스 유입 영역에서 가장 높고 차단막이 없기 때문에 집진용기 벽면과 필터 사이의 상부 영역에서 높은 난류 운동에너지가 넓게 분포함을 알 수 있었다. 입자 농도 분포는 유입되는 입자들 중 상당량이 집진용기 벽면에 부착 제거되고 나머지 입자들이 필터로 직접 전달되기 때문에 필터 상부 표면에서 에서와 같이 다소 높은 입자농도 분 Fig.
- 차단관이 없는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 낮았으며 유입관이 없이 집진 장치 상부 벽면 중앙의 수직 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 높게 나타났다. 또한 다공성물질을 필터 개구 면에 설치하여 다공성물질의 투과율에 따른 필터 표면에서의 탈진가스유동분포를 해석한 결과 투과율이 낮을수록 필터표면에서의 탈진가스 유동장은 더 균일하게 분포하였다.
- 차단관이 있는 접선 유입구('Inlet_n_wot'), 차단관이 없는 접선 유입구 ('Inlet_t'), 유입관이 있는 수직 유입구('Inlet_t_wos'), 유입관이 없는 수직 유입구 ('Inlet_n')를 통한 가스 유입 방식에 대하여유동장 및 입자 농도장을 수치해석하였다. 수치해석 결과 집진용기 내부의 압력 분포는 필터 전단과 후단 영역에서는 거의 균일하였지만 필터 양단의 압력에는 큰 차이를 보였다. 차단막이 있는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 유입된 가스 유동이 집진용기 벽면과 차단관 사이에서 원심 유동으로 변한 후 호퍼 영역에서 가스가 대류 확산에 의하여 분산되어 유속이 급격이 낮아지면서 상부의 필터로 이동하게 된다.
- 필터로의 입자 부하 특성을 제어하기 위하여 집진장치로의 서로 다른 가스 유입 방식에 따른 유동장 및 입자농도장의 변화를 비교 분석하였다.차단관이 없는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 낮았으며 유입관이 없이 집진 장치 상부 벽면 중앙의 수직 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 분진 부하량이 가장 높게 나타났다. 또한 다공성물질을 필터 개구 면에 설치하여 다공성물질의 투과율에 따른 필터 표면에서의 탈진가스유동분포를 해석한 결과 투과율이 낮을수록 필터표면에서의 탈진가스 유동장은 더 균일하게 분포하였다.
- 모든 유입조건에서 입자 직경 크기가 클수록 입자 부하율이 낮아지며 이는 큰 입자일수록 입자의 관성력이 크게 작용하여 원심 유동이나 수직 분사 유동에 의하여 집진용기 내벽에 더 많은 입자들이 부착 제거되기 때문이다. 차단관이 있는 접선 유입구를 통하여 가스가 유입되는 경우 필터로의 입자 부하량이 가장 낮았으며, 유입관이 없는 수직 유입구를 통한 가스가 유입되는 경우 필터로의 입자 부하량이 가장 높게 나타났다. 그러나 Fig.
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