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도연 견
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1 전기집진기의집진효율향상에관한연구 안국찬 ㆍ김봉환 * ㆍ이광석 ** 진주산업대학교기계설계공학과 * 양산대학기계설비과 ** 진주산업대학교전자공학과 ( 접수 / 채택 ) The Improvement of Collection Efficiency of Electrostatic Precipitator Kook-Chan Ahn ㆍ Bong-Hwan Kim * ㆍ Gwang-Seok Lee ** Department of Mechanical Design Engineering, Jinju National University * Department of Air Conditioning, Refrigerating & Sanitary Systems, Yangsan College ** Department of Electronic Engineering, Jinju National University (Received July 2, 2002 / Accepted October 1, 2002) Abstract : This paper demonstrates the effects of dust electrical resistivity on electrostatic precipitability. The effects of gas temperature, velocity and humidity on the collection efficiency were considered by used of coal fly ashes from fluidized bed combustion boiler. The experiments for collection efficiency were carried out in the pilot plant. The ashes which have non-spherical geometry and high electrical resistivity were used. Electrical resistivity is an important property for the collection efficiency in the electrostatic precipitators. Fly ash resistivity as a function of temperature up 350 and water concentration(up to 15%) has been experimentally investigated using the resistivity test equipment consisted of the movable electrode, dust cup, and furnace. As the resistivity of fly ash in the operating temperature(150 ) of an electrostatic precipitator was measured higher than 1010Ω cm, flue gas conditioning in the electrostatic precipitator to reduce the resistivity of fly ash is required. Key Words : dust resistivity, electrostatic precipitator, collection efficiency, fly ashes, water concentration 1. 서론 1) 산업과정에서발생하는분진의제거를위해서적은압력손실과대용량, 높은집진효율등의장점때문에전기집진기가널리사용된다. 전기집진과정에서분진을함유한배출가스는집진판과방전극사이를통과하며, 이때분진입자는코로나방전에의해서발생한이온에의해서전기적으로대전된다. 전하를띠게된분진은정전기력에의해서집진판으로이동하여집진이이루어진다 1). 집진된분진입자가배출될때까지집진판에분진층을이루게되면분진층의전기저항으로인하여전압강하가발생하여방전극과집진극사이의전계의상태에영향을준다. 분진층의전압강하가크면동일인가전압에서운전되는경우, 그만큼의유효전압 ( 방전극과 To whom correspondence should be addressed. kcahn@jinju.ac.kr 집진극사이의공간전압 ) 이작아져서코로나전류가감소하고집진효율은낮아진다 2). 일반적으로분진입자의전기비저항 (electrical resistivity) 이 Ω cm이상이면분진층내의가스는방전극의코로나방전개시전계강도보다훨씬낮은값에서전리하기시작하여집진극에서방전극으로양이온이방출되는역전리 (back corona) 현상이일어난다. 이상태에서는양극간의방전전류는증가하지만코로나발생개시전압이낮아지고양극으로부터의이온에의해분진의대전량이증가되므로집진효율은현저히저하된다. 또한역으로분진의전기비저항이너무낮으면 (10 4 Ω cm이하 ) 전계내에서대전된분진입자는집진극에도달하자마자대전된전하를집진극으로쉽게방전하여분진입자가집진극표면에퇴적될수있는부착력 ( 전기적부착력 ) 을잃는다. 따라서분진입자는다시가스흐름으로유입되는재비산현상이일어난 25

2 안국찬, 김봉환, 이광석 다 3). 그러므로높은집진효율을얻기위해서는분진의전기비저항이 10 4 Ω cm보다높고 Ω cm보다낮아야한다. 만일이영역을벗어날경우에는가스의성분을조절하여분진의전기비저항을제어한다. 본연구에서는분진의물리적 화학적성질이분진의전기비저항에미치는영향을고찰하고, 고비저항을갖는분진의경우에가스성분의조절을통한분진비저항의조정으로집진효율을개선하고자한다. 2. 실험 2.1. 실험장치 분진비저항측정장치분진비저항의정량적값의측정은특별한고전압인가장치를필요로한다. Fig. 1 과 Fig. 2 는본연구에사용된분진비저항측정장치의전체구성도와측정셀을나타낸다. 측정셀은측정할분진을컵에담아서고전압을가하면서측정할수있도록이동가능한전극으로되어있다. 이장비는 JIS B ) 에의해제작되었으며측정셀은주위온도가 350 까지, 수분함량이 15 vol.% 까지조절되는가열로내부에위치해있다. 분진층은 5mm 두께로보통고정되며다음식에의해서분진비저항을구한다. ρ = V S t I 여기서, ρ : 분진의비저항, Ω cm V : 인가전압, V t : 분진층의두께, cm S : 전극면적, cm2 I : 전류, A (1) Fi g. 2. Shape and dimensions of measuring electrodes (unit : mm) Table 1. Test conditions of dust electric resistivity 항 목 측정 조건 온 도 100 ~350 가스수분함량 0~15 vol.% 인가전압 2 kv 분진종류 유동층 (Fluidized Bed) 석탄연소에서발생한분진 분진비저항의측정조건은 Table 1 과같다 전기집진장치분진의비저항특성변화에따른전기집진효율을평가하기위해파이롯전기집진기를사용하였다. Fig. 3 은본연구에사용된실험설비로길이 15m, 높이 4.3m 의 2 단평행판전기집진기의개략도이다. 전기집진기의자세한사양은 Table 2 에나타나있으며, 각 Field 당집진판의길이는 6.12m 이고높이는 1.33m 이다. 가스유동이지나는통로는 1 개이며집진판의간격은 400mm 이다. 전기집진기의전기적인사양이 Table 3 에기술되어있다 실험방법분진비저항의변화에따른집진효율특성을규명하기위해 Fig. 3 과같은파이롯전기집진기를사용하였다. 송풍기에의해서전기집진기내로유입 Fig. 1. Schematic diagram of dust resistivity measuring apparatus Table 2. Electrostatic precipitator description Type Wire - Plate Plate Height 1.33 m Plate Length 6.12 m/field Plate Spacing 400 mm Number of Gas Passages 1 Number of Field 2 Number of Electric Sections 2 Nominal Flow Rate 15.96~79.8 m3 /min Total SCA 24.48~ Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 4, 2002

전기 집진기의 집진 효율 향상에 관한 연구 Table 3. Electrical specification of electrostatic precipitator Secondary Voltage Secondary Current Electric Strength Current Density VarioPulse Frquency 105 200 5.25 /cm 62.

3 전기 집진기의 집진 효율 향상에 관한 연구 Table 3. Electrical specification of electrostatic precipitator Secondary Voltage Secondary Current Electric Strength Current Density VarioPulse Frquency /cm 62.9 / 83.8 Fig. 3. Schematic diagram of pilot electrostatic precipitator 된 공기는 전기히터에 의해 계속적으로 가열이 되 어 전기 집진기를 순환한다. 이 때의 유동 속도는 주파수 변환기(frequency inverter)로 송풍기의 회전 수를 조절하여 설정한다. 전기 집진기를 지나는 가 스의 온도는 피이드백(feedback) 회로를 이용한 온도 조절기로 일정온도를 지속적으로 유지하도록 하였 다. 유속과 온도가 설정된 후 자동분진투입장치로 일정 농도의 분진이 계속적으로 투입이 되고 일정 농도의 분진을 함유한 가열된 공기는 가스 분배판 을 지나서 전기 집진기의 1st Field 과 2nd Field 의 코로나 영역을 지나면서 분진의 입자 대전과 집진 이 동시에 이루어진다. 그리고 집진기의 출구 쪽의 분진 농도계(opacimeter)가 가스 속의 집진이 되지 않은 분진의 농도를 연속적으로 측정하여 집진 효 율을 알 수 있다5). 전기 집진기의 특성을 알아보기 위해서 전기 집진기 내부의 온도를 150 까지, 평균 유속을 m/s, 그리고 투입 분진 농도를 0 30 g/nm3 사이의 조건에서 전류 - 전압 특성을 고찰 하고 유동 가스의 속도와 온도 그리고 전압인가방 식이 집진 효율에 미치는 영향을 살펴보았다. 그리 고 각 호퍼(hopper) 와 집진판에서 집진된 분진의 양 과 입도 분포분석을 통한 집진 특성에 대한 실험을 하였다.. 입도 분포분석은 미국 Coulter 社의 LS130 을 사용하였으며, 습식 원소분석법6)으로 분진의 원 소분석을 하였다. 산업안전학회지, 제17권 제4호, 2002년 3. 결과 및 고찰 분진의 특성은 입경 크기분포, 농도, 형상 등을 나 타내는 물리적인 특성, SiO2, Al2O3, Fe2O3와 CaO 등 의 화학적 특성, 그리고 분진의 비저항성을 나타내 는 전기적 특성으로 크게 3가지로 분류할 수 있다. Fig. 4 는 분진의 물리적인 특성을 알아보기 위하여 분진을 전자현미경(S.E.M.)으로 촬영한 사진(배율 1,000배)과 입경 분포를 나타낸 것으로 사용된 분진 은 중국의 대동탄을 사용한 유동층 보일러에서 나온 것으로 의 입도 분포를 가지며 질량평균 입도(MMD, Mass Mean Diameter)는 26 이다. 분진 의 형상은 불규칙하고 각이 진 형태를 나타내며, 이 러한 기하학적 형상은 같은 체적의 구형 형태의 분 진에 비해 표면적이 큼으로 구형의 분진보다 대전량 을 많이 갖게 되므로 전기집진에 유리하다. Fig. 5는 분진 입자의 입경의 크기에 따른 질량비를 나타낸 것으로 분진 입자의 입경의 크기가 전기집진 성능에 영향을 미치게 되는데 입경이 작을수록 대전량이 작 으며 또한 가벼워서 재비산이 되기 쉬우므로 집진 성능이 떨어지게 된다7). Table 4는 분진의 원소 조성 을 나타내며 화학적 조성 중 K2O, Na2O, Fe2O3와 미 연탄소는 분진의 비저항을 감소시키는 반면 SiO2, Al2O3, CaO와 MgO는 증가시킨다. Fig. 6은 가스의 온도와 수분함량의 변화에 따른 분진 비저항값을 나타낸다. 수분함량이 거의 없는 경우(H2O = 0%) 본 실험의 영역에서, 분진 비저항값 이 역전리 현상이 쉽게 일어나는 1013Ω 이상의 고 비저항인 것을 볼 수 있다. 수분함량이 증가하면 Fig. 4. Shape of fly ash from fluidized bed coal combustion 27

4 안국찬, 김봉환, 이광석 Tabl e 4. Chemical composition of fly ash for test (dry base) Species WT% Species WT% SiO V - Al 2O Ni - Fe 2O Pb - CaO Cr 0.1 MgO 1.54 Cd - K 2O 0.84 C 8.73 Na 2O 0.67 S 3.39 TiO Fig. 7 에서보는바와같이분진의비저항값은역전리현상이일어나지않는 Ω cm까지떨어짐을확인하였으며, 따라서수분함량이분진의비저항성을결정하는매우중요한인자임을알수있다. Fig. 6 에서분진이 150~200 의범위에서비저항값의최고치를나타내고있음을알수있다. 포물선모양의그래프에서비저항값의최고치온도를중심으로그이하의온도범위에서는비저항값은주로수분의영향을많이받게되고, 그이상의온도범위에서는비저항값이온도가높아짐에의해분진을구성하고있는전자활동의활성화에기인하므로주로분진의구성성분이주요변수가된다 8). 자세히살펴 (a) Cumulative Fi g. 6. Effects of temperature and humidity variation on dust resistivity (b) Differential Fi g. 5. Size distribution of coal fly ash from fluidized bed coal combustion Fi g. 7. Effects of humidity on dust resistivity 28 Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 4, 2002

5 전기집진기의집진효율향상에관한연구 보면온도의영향은일정한온도이하에서온도가낮아질수록가스의상대습도가높아져입자표면에수분의응축으로인해전하의전도도가증가되어전기적비저항이낮아지는것이며일정한온도이상이되어도비저항값이낮아짐을알수있는데, 이는고온에서입자내의분자가활발히운동함에기인한다. 대부분의전기집진기의사용온도는 150 정도이므로국내각종석탄연소분진의비저항이 150 에서 Ω cm 보다큰고비저항 Fly ash 로서전기집진시역전리현상으로집진효율이저하될우려가있다. 따라서본연구결과로부터고비저항분진의집진을위해가스내에수분을공급하여집진성능을향상시킬수있다는결론을얻었다. 일반적으로전기집진기에서의하전특성은코로나가발생하는전압 - 전류특성곡선을통해서알수있다. 전압 - 전류특성곡선에영향을미치는변수는방전극의구조, 집진판간격, 크기등의기계적인설계조건과가스유동속의분진농도, 가스조성, 온도및압력, 집진판위에집진된분진층의두께등이있다. 가스유동속의입자상태도전기적인조건에영향을주는데미세한입자가많고분진농도가높을수록전류를감소시킨다. Fig. 8 은가스속의수분함량변화에따른전압 - 전류특성곡선을나타낸다. 가스속에수분함량이 0~5% 인경우에는집진판에분진층의저항으로인해서일정전압이상에서는전압의증가는없고전류만급속히증가하는것을볼수있으며이러한조건에서분진이투입되면급격한역전리현상이일어난다 9). 가스속에수분함량이 15% 이상인경우에는전압이증가함에따라전류도비례하여완만하게증가함을나타내었다. 따라서가스내수분함량이전압 - 전류특성곡선에더큰영향을미치는것을알수있다. 이는수분함량의변화로인해서가스물성치와분진의비저항이변하기때문이다. Fig. 9 는가스의수분함량이집진효율에미치는영향을나타낸다. 수분함량이증가함에따라집진효율이개선된것을알수있는데이는수분함량이증가함으로극간의전도성이향상되어분진의비저항이감소한결과이며부수적으로집진판에쌓인분진의재비산이감소한결과이다 10,11). 고비저항분진의비저항의제어대책으로서연소가스내에적정량의수분을공급하여분진의비저항값을낮추며, 또한분진의응집성 (cohesive property) 을변화시켜서집진을용이하게할뿐만아니라재비산을 Fi g. 8. Voltage-Current characteristic curves Fi g. 9. Effects of gas humidity on collection efficiency (H=gas humidity) 감소시키고공간하전이개선된다. 따라서전계강도가증가되고역전리현상을방지함으로써집진성능이향상되게된다. 4. 결론 유동층석탄연소로에서발생하는분진의비저항성에가장크게영향을미치는인자인분진내수분함량과분위기온도를제어하면서전기집진효율의개선을위한실험적연구를통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 분진의온도가 150~200 이하에서는온도가증가할수록비저항값은증가하였으나, 이온도이 산업안전학회지, 제 17 권제 4 호, 2002 년 29

6 안국찬, 김봉환, 이광석 상에서는온도가증가할수록비저항값은감소하였으며아울러분진의비저항특성이바뀌게되는임계온도가수분의영향에따라점차높아짐을알수있었다. 2) 가스수분함량이증가함에따라분진비저항이감소하였으며이로인하여전계상태와집진효율이개선되었다. 3) 국내각종석탄연소분진의비저항조절을위한가스조질매체 (gas conditioning agents) 로서무화수 (atomizing water) 를선택할수있었으며, 분진의비저항의감소뿐만아니라재비산을감소시키고공간하전을개선시켜전계강도가증가되어역전리현상을방지할수있다. 감사의글 : 본연구는한국과학재단지정진주산업대학교동물생명산업지역협력연구센터의연구비지원에의한것입니다.( 과제번호 : R ) 참고문헌 1) White, H. J., Chemical and Physical Particle Conductivity Factors in Electrostatic Precipitation, Chemical Engineering Progress, Vol. 52, No. 6, pp , ) Flagan, R. C. and Seinfeld, J. H., Fundamentals of Air Pollution Engineering, Prentice Hall, ) Sabert, O. J. and Nichols, G. B., Electrostatic Precipitation, MARCEL DEKKER, INC., ) Japanese Industrial Standard, Measuring Methods for Dust Resistivity (with parallel electrodes), JIS B ) Bellagamba, B., Liberti, G., Riboldi, E., and Malagnini, G., Engineering Aspects of a Pilot ESP Programme, Proc. of the 3rd Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, ) Korean Industrial Standards, Chemical Analysis of Fire Brick, KS L ) Lamb, A. N., Variations in the Performance of Electrostatic Precipitators Collecting Fly Ash from Large Boilers, Proc. of the 2 nd Int. Con. on Electrostatic Precipitation, ) Bickelhaupt, R. E. and Sparks, L. E., Fly Ash Resistivity Prediction Improvement with Emphasis on Sulfur Trioxide, Southern Research Inst., Birmingham, AL, PB , ) Cooperman, G., A New Current - Voltage Relation for Duct Precipitators Valid for Low and High Current Densities, IEEE Transations on Industry Applications, Vol. IA - 17, No. 2, ) Paulson, C. A. J. and Potter, E. C., The Pilot Scale Approach to Assessing the Performance of Full - Scale Electrostatic Precipitators, 8 th Australian Chem. Eng. Conf., Melbourne, Austrailia, August 24~27, pp. 75~79, ) Potter, E. C., Electrostatic Precipitation Technology : A Different Viewpoint, Air Pollution Control Association, Vol. 28, pp. 40~46, Journal of the KIIS, Vol. 17, No. 4, 2002

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method