<9 주차 > 5.8 집진원리 - 분진제거 mechanism : 중력침전 (gravitational settling), 원심력충돌 (centrifugal impaction), 관성충돌 (inertial impaction), 직접차단 (direct interception), 확산 (diffusion), 정전기효과 (electrostatic effect) - 관성충돌 : 입자는기체의흐름과동일유속, 차단물이있을때기체는차단물주위로유선을형성하나어느정도의질량을가진입자는관성력에의해차단물에충돌 - 직접차단 : 관성충돌하는입자보다가벼운입자는차단물에충돌하지않고차단물주위의유선을따라서이동, 차단물주위에서유선이수렴, 입경이유선과차단물간의간격보다클때직접차단됨. - 확산 : 0.1μm근방의아주작은입자는 Brown운동에의해차단물위에충돌, 충돌후의이탈을방지하기위하여접착성물질로차단물표면을피복하기도함. 제진기구는분진제거 mechanism 의 1 개이상의원리를응용하여제작.
5.9 집진장치 제진시설선택을위한고려사항 1 입자의모양, 밀도, 입경분포등분진의물리화학적특성 2 배기가스의유량범위 3 예기되는분진의농도및부하 4 배기가스의온도, 압력및습도등 5 배기가스의부식성및용해성 6 처리후배출가스의조건 ( 요구되는제진효율 ) 제진기기의연결사용여부결정 - 종류중력침강집진기 (gravity settling chamber) 원심력집진기 (cyclone) 세정집진기 (wet collector) 여과집진기 (fabric filter) 전기집진기 (electrostatic precipitator) 5.6.1 중력침강집진기 (gravitational settling chambers) - 밀도가작은입자에서 50μm까지적용, 밀도가크면 10μm까지도적용가능 - 분진이제진되기위한조건 폭 : W 유량 : Q Q=WHV 분진이침강하는 hydrauric 데걸리는시간 침전실내에서체류시간 100% 제거되는최소입경
Stokes 영역 (Re = : 10-4 ~0.5) 에서구형입자의침전속도 ( 직경이 5-50 μm인구형입자, ) 실제로중력침전실내에서의와류때문에 Stokes 영역에서의 velocity의 1/2로감소된다고가정 min terminal _ 100% 로제거되는최소입경을감소시키기위한방법 ⅰ) H/L을감소시킨다. ⅱ) V를감소시킨다. 장치의크기와관련침전된입자의재비산을방지하기위해서 30-300 cm/s 이하로설계 - 작은입경에대한부분집진율 ( 층류 ) - 수평판을 (n-1) 개설치한경우의 100% 효율을갖는최소입경 ( 층류 ) n : 구획된공간의수 부분집진율
- 침강실내부의기류평가 층류 : Re <2000 전이영역 : 2000 < Re < 10000 난류 : Re > 10000 Re 계산에서원관이아닐경우직경은 [4x수력학적직경 (hydraulic diameter)] 사용 흐름면적 수력학적직경 젖은둘레 ( 예제 5-6) H=W = 3m, V=1m/s 인침강실의흐름을판정 흐름면적 젖은둘레 = cf. 대기중침강하는분진의레이놀즈수, - 난류에서의침전 길이 : L, 폭 : W
가정 : 모든크기의분진이연속적으로층류층으로침강층류층으로들어온입자는포집되고난류로되돌아가지않음난류층에서입자분포가균일 N p : 침강실의어떤위치 x에서가스에남아있는직경 d p 인입자의수 dn p /N p : dx의거리에서층류층에도달하는직경 d p 인입자의분율 t = dx/ V = y/ V t y : t 시간동안침강한입자의수직거리 y/h : 층류층에도달하는입자의분율 음의부호는 x 증가에따라 Np 는감소 ln ln 경계조건 1) x=0, N p = N p,0 2) x=l, N p = N p,l exp 직경 d p 인입자의효율 exp exp ( 예제 5-7) d p = 50 μm, = 2.0 g/cm 3, V=0.5m/s, H=3m 90% 의효율을갖는중력침강실의길이를구하시오.( 층류라고가정 )
- 중력침전실의종류 ⅰ) 단순팽창식 (simple expansion chamber) 처리 gas가입구를통해확장부에들어오면 gas의유속감소따라서속도에의한관성력보다중력의영향을크게받아침강 ⅱ) 하워드침강집진기 (Howard settling chamber) 단순팽창식침강집진기와같은원리팽창실內에처리가스이동방향과수평으로평판을설치 침강에필요한수직침강거리감소 (1 까지도가능 ) 각침강실에처리 gas의균일한유입을위해입구에 guide vane ( 유도깃 ) 혹은 screen 설치 효율은좋으나침강퇴적되는분진의청소가힘들고처리가스온도가고온일경우수평판이고온팽창에의해침강실이폐쇄될수있다. - 중력침전실의기본특성 에너지비용이낮다 ( 압력손실이적다 ) 유지비, 시공비가적게소요 신뢰도가높다 ( 중력침전 ) 시설규모가크고많은공간요구됨 제진효율이낮다
통상 50μm이상인입자의제거, 입자밀도가큰경우 10μm까지도제거가능 전처리시설로서굵은입자를경제적으로제거하기위해사용전처리시설은배기가스의분진농도가대단히크거나하류에위치한제진시설에해를가할수있는큰입자의제거를위해설치 ( 문제 5-57) 1atm, 300 K, Q = 2.5m 3 /s 에서 dp=50μm, =1400kg/m 3 인먼지를제거하기위하여중력침강실사용, 침강실은 H=2m, W=4m, 바닥포함 25개단사용, 층류로가정 a) 100% 효율을위한침전실길이 b) Re c) 40, 30, 20, 10 μm입자에대한부분집진율 (L은 a) 에서구한값사용 ) d) 부분집진율곡선 ( 효율 vs. 입경 ) (sol) ( 그림5-8) 에서 50μm, =1000kg/m 3 인분진의 Vt=7.5cm/s 밀도를보정하면 7.5(1400/1000) = 10.5cm/s a) = = 0.238m b)
5.9.B 원심력집진기 (cyclone separator) - cyclone : 처리가스內의고체혹은액체분진을 vortex( 선회류 ) 에의한원심력으로제거하는장치 - cyclone 의구조 - cyclone 에서기류의운동
외부선회류 ( 하향선회류 ) 내부선회류 ( 상향선회류 ) 기류의 방향이 변화될때직진운동 하 려는입자의관성에 의해포집, 원심력은원통과원추부의외벽을통한고속회전에의해생김. - 일반적으로 10 μm이상의입자제거에사용
사이클론의제진효율 - 유효회전수 (5-56) - 분진의부분집진율 원운동내반경 Ri, 외반경 Ro( 사이클론의원통반경 ) Ne 회전동안원심력에의해 Ri에서 Ro로이동 100% 제거됨 Ri Ro 사이에들어오는직경 dp의입자는모두제거 Ne 회전동안완전히제거되지않는분진에대해 R * : Ne 회전동안직경 d p 의입자가외벽에도달하는최소반경 Ro-R * 의거리내에있는입자들은완전히제진 (R<R * <Ro) 제진효율은아래와같이표현됨 (5-57) 간 ) ( ) = W ( 사이클론유입구폭 ) ( ) = ( 가스흐름에수직의입자속도 )x( 가스가외부 vortex 에머무는시 법선 ( 반경 ) 속도는중력의영향을무시할때반경방향에서원심력과마찰저항
력의등식에의해구함 구형입자의운동에서 Stokes 흐름을가정하면 마찰저항력 : A p : 침전방향에직각인입자의단면적 = π C D = 24/Re = 24/ ( ) V n = 법선 ( 반경 ) 속도 원심력 : 접선속도 = f(r) (5-58) 가정 V t = V g ( 가스유입속도 ) R = (Ro + Ri)/2 V n = (Ro-R * )/ ; 일정
(5-59) 입자가외부선회류에머무는시간 (5-60) (5-61) 식 (5-57) 로부터 (5-62) 절단입경 ( 분리경, cut diameter) ( =0.5 일때 ) 집진효율이 50% 에상당하는분진의입경, Lapple의반실험식 (= (5-62) 식에서 = 50% 인 d p ) (5-63)
분진의입경분포를알수있다면 cyclone 의총괄집진율을구할수있음 - ( 그림 5-17) 에대한수식 (Theodore and Depaola, 1980) 특정입경범위의제진효율
( 예제 5-8) (ex) Lapple의표준 cyclone (body dia. 1m), 공기 Q = 150 m3/min, T=350K, 1atm, 입자밀도 1600kg/m3, 분진의입경분포는아래와같다. 총효율은? = 0.075 kg/m hr 입경, μm질량 % 0-2 2-4 4-6 6-10 10-18 18-30 30-50 50-100 1.0 9.0 10.0 30.0 30.0 14.0 5.0 1.0
- 총괄집진율 (5-64) cyclone에서효율을높이기위한방법 가스의유입속도, 분진밀도, 입자경이클수록효율증가 사이클론의몸통직경이작을수록증가 ( 유입구폭 ) 배기가스의점도가작을수록 η증가 ( 가스온도증가 점도증가 ) 원심분리기의길이가길수록효율증가 ( 유효회전수 ) cyclone 내벽의매끈함 (smoothness) - 벽근방에서 turbulence 방지 - 사이클론의설계에서압력손실과효율의 tradeoff 압력손실의증가 ( 동력비증가 ) 효율증가 - 동력계산 - 분리계수 (separation factor) cyclone에서 F c /F g 를말함 F c /F g V g 2 /Rg - Blow -down 효과 cyclone의분진퇴적함으로부터처리가스량의 5~10% 를흡인하여 cyclone 내의선회기류를안정시키는방법, 제진된먼지의재비산방지 집진율향상, 먼지의장치내벽부착으로인한장치의폐쇄방지 - multicyclone 작은직경의 cyclone은효율은좋으나처리유량이소량이므로 multicyclone 형
태로제작한 cyclone single unit : 16-200 정도의 tube로구성, tube 직경 6-12 inch - cyclone의장단점장점 : 적은설치비용, 고온고압에서운전가능, 움직이는부분이없으므로구조가간단하여유지보수비용이적다. 단점 : 효율이낮다. 운전비용이비싸다.( 고압력손실 ) 용도 : recovery of dry product
- 처리가스유량이클경우 parallel cyclone이효과적이다. cyclone의직열연결은총괄효율은증가하나압력손실때문에 cost 증가
대기오염및연습참고자료 1. 대기오염제어, 이상권외 9명공역, 도서출판동화기술, 2009년원저 : AIR POLLUTION ITS ORIGIN AND CONTROL, Kenneth Wark, Cecil F. Warner, Wayne T. Davis, Prentice Hall, INC, 2004 2. 대기오염방지공학, 김동술, 김태오공역, 도서출판동화기술, 2003년원저 : Air pollution Control : A Design Approach, C. David Cooper, F. C. Alley, 2-nd Edition, Waveland Press, Inc. 1994년 3. 2013 대기환경기사. 산업기사, 이승원, 성안당, 2013 년 4. 대기오염측정분석학, 박기학, 손종열공저, 형설출판사, 2000 년 5. Air Pollution Engineering Manual, 2-nd Edition, US. EPA 6. Handbook of Air Pollution Technology, Edited by Seymour Calvert and Harold M. Englund, John Wiley & Sons, 1984 7. 대기오염제어공학, 이규성외 5 인공저, 형설출판사, 2000 년 8. 최신대기오염방지기술, 김종석외 11 인공저, 동화기술, 2000 년 9. 대기오염과방지기술, 동종인, 신광출판사, 2000 년