ISSN 1738-8716(Print) ISSN 2287-8130(Online) Particle and Aerosol Research Part. Aerosol Res. Vol. 17, No. 2: June 2021 pp. 21-27 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2021.17.2.021 내부식성과경량성향상을위한비금속재질집진판의 2 단전기집진기집진효율연구 안소희 1),2) 이예완 1) 김예슬 1),3) 김용진 1) 한방우 1),3) 김학준 1),3)* 1) 환경시스템연구본부, 한국기계연구원 2) 메카트로닉스공학부, 한국기술교육대학교 3) 환경에너지기계공학전공, 과학기술연합대학원대학교 (UST) (2021년 3월 29일투고, 2021년 5월 28일수정, 2021년 6월 1일게재확정 ) The study on collection efficiency of two-stage electrostatic precipitator using non-metallic electrode for improve corrosion resistance and light weight So-Hee An 1),2) Yeawan Lee 1) Ye-Sle Kim 1),3) Yong-Jin Kim 1) Bangwoo Han 1),3) Hak-Joon Kim 1),3)* 1) Environmental System Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM), Daejeon, Republic of Korea 2) School of Mechatronics Engineering, KOREATECH, Cheonan, Republic of Korea 3) Environmental & Energy Mechanical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, Republic of Korea (Received 29 Mar 2021; Revised 28 May 2021; Accepted 1 June 2021) Abstract We developed non-metallic electrodes that can replace metallic electrodes of the electrostatic precipitator(esp) for the purpose of light weight, corrosion resistance, cost reduction. We manufactured three types of collection electrodes made of stainless steel (M), Carbon ink coating layer-plastic sheet-carbon ink coating layer (CPC), and Plastic sheet-carbon ink coating layer-plastic sheet (PCP). We studied the collection efficiency of a two-stage ESP using oil mist particles with and without collection stage by changing the flow rate, the material of collection electrode, and the applied voltage of the pre-charger module and the collection module. Here we measured concentrations of particles at diameters of 0.45 μm (CMD; count median diameter) and 3.0 μm (MMD : mass median diameter), as well as PM 2.5 and PM 10. As a result of the experiment, two-stage ESP had 22~25% higher collection efficiency in PM 2.5 than one-stage ESP at the same applied voltage. The difference in collection efficiency by varying the materials of collection electrodes was less than 5%. The weight of the non-metallic electrode was only one eighth the weight of the metal electrode. CPC electrode had a thickness of 0.27 mm, which was 1.5 times thinner than a thickness of PCP electrode, so when the flow rate increased, the CPC electrodes couldn't be kept at equal intervals due to the fluttering unlike PCP electrodes. In addition, the PCP-CPC collection module of the present experiment followed the theoretical efficiency based on Deutsch equation and Cochet's charging theory. Keywords: Electrostatic precipitator, carbon-coated electrode, plastic-coated electrode *Corresponding author. Tel : +82-42-868-7775 Email : diayolk@kimm.re.kr
22 안소희 이예완 김예슬 김용진 한방우 김학준 1. Introduction 장기적으로고농도미세먼지에노출될경우천식, 폐질환, 심혈관질환등다양한질환이유발될수있다고알려져있다 (Kim, 2013). 특히폐포에흡착되어손상을줄수있는 PM 2.5 초미세먼지는각별한주의가필요하다 (Feng et al., 2016). 2016년환경부가조사한바에따르면 PM 2.5 배출량의 45% 이상이발전설비및제조업에서발생하는것으로나타났다 (National Institute of Environmental Research, 2019). PM 2.5 인체노출을줄이기위해전세계환경규제가갈수록엄격해지고있으며, 발전소와제조업은환경비용증가로인해보다경제적인환경설비를필요로하고있다. 발전소및산업시설은일반적으로백필터, 사이클론및전기집진기등의환경설비를사용하여배출가스의입자상물질을감소시킨다. 백필터는가스를직물형필터에통과시켜서먼지를여과시키고, 사이클론은관성을이용하여직경에따라입자를분리한다. 두방식모두효율을높이기위해선차압이높아지게되어, 차압을극복하기위한추가적인에너지가요구된다. 특히 PM 2.5 의경우일반적인사이클론으로높은제거율을확보할수없다. 전기집진기 (Wang et al., 2016) 는코로나방전을발생시켜입자를하전시키고, 하전된입자에강한전기장을가하여정전기력을이용하여입자를제거한다. 전기집진기는공기흐름을방해하지않고입자에만정전기력을가하기때문에기존백필터, 사이클론두가지방식에비해차압이매우낮다 (Kyung, 2019). 차압이낮으면운전비용을줄일수있기때문에다양한산업분야에사용된다. 하지만제거효율을높이려면전압을올려야하므로안전상의문제가발생할수있다. 전기집진기의안전성과효율성을높이는효과적인방법중하나는하전단계와집집단계를분리하는것이다. 기존환경설비에주로사용되는 1단전기집진기는하전과집진이같은공간에서일어나기때문에방전전극의가장자리가날카로워안정성의문제로전기장의강도를높이는데한계가있다 (Chang et al., 1991). 반면하전과집진의단계를분리시킨 2단전기집진기는집진부에날카로운 모서리나방전극이없기때문에스파크로인한문제없이 1단전기집진기보다전극의간격을좁혀높은전기장강도를확보할수있다. 따라서 2단전기집진기는동일조건하에서 1단전기집진기보다높은 PM 제거효율을달성할수있다 (Jaworek et al., 2018). 이러한많은이점에도불구하고, 전기집진기는경제적인문제로산업적용에어려움을겪고있다. 발전소, 반도체제조공장등산업분야에서의배기가스는불산, 염산, 황산등부식성가스는물론미립자까지함유하고있다. 따라서산업분야에전기집진기를적용하려면 Inconel 및 Hastelloy 합금과같은내식성금속이필요하고이는비용증가로이어진다. 내식성금속을대신하기위해여러시도가진행되어왔고, Kang et al. (2016) 은집진전극용으로폴리프로필렌 (PP) 판에전도성폴리아닐린 (PANI) 을코팅하는시도 (Kang et al, 2016) 를하였다. 본연구에서는폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 판에탄소잉크코팅을하였다 (Lee et al., 2020). 비정질탄소의전기전도도는약 1 10 3 S/m로일반적인비금속 PET 필름의전기전도도가 1 10-20 S/m 수준임을고려하면전극으로사용하기에적합할뿐만아니라, 탄소의밀도는스테인리스강의 25% 인 2 g/cm 3 수준이다. 게다가탄소는금속보다가공이쉽고비용이저렴하기때문에경제적으로선호된다. 또한본연구에서는탄소잉크위에내부식성이높은 PET 필름을코팅하여부식, 마모및스파크등의위험성을줄였다. 본연구는 1단전기집진기와 2단전기집진기의집진효율을비교하고, 2단전기집진기를중점으로내부식성, 경량성, 효율성을높이기위해집진판의재질에따른집진성능을분석하였다. 집진부에사용되는집진판은스테인리스강 (M), 탄소코팅플라스틱 (CPC, Carbon ink coating layer-plastic sheet- Carbon ink coating layer), 플라스틱코팅탄소 (PCP, Plastic sheet-carbon ink coating layer-plastic sheet) 등총세가지종류의재질을사용하였다. 각집진부의무게를비교하고, 유속, 인가전압, 집진판의재료를바꿔가며집진효율을평가하였다. Particle and Aerosol Research 제 17 권제 2 호
내부식성과경량성향상을위한비금속재질집진판의 2 단전기집진기집진효율연구 23 2. Experimental setup and method Fig. 1은전체적인실험세팅을나타낸것이다. 본연구에서는 330 mm 330 mm아크릴덕트를사용하였다. 덕트내부의유속은 16 mm베인형유속계 (TESTO 480, TESTO SE & CO, 독일 ) 로측정하였고, 실험유량은 10~20 m 3 /min으로제어하였다. 두개의네뷸라이저 (8900-7-50, Salter Labs) 와탭핑유 (ST-501, 이레산업 ) 를이용하여오일입자를발생시켰다. 또한오일미스트의농도를안정적으로생성하기위해질량유량계 (TN-280, Celerity, Inc.) 를사용해압축공기를공급하였고, 오일미스트를고르게분배하기위해전기집진기앞에아크릴타공판을배치하였다. 1단및 2단전기집진기실험을진행하였으며, 1단전기집진기는 2단전기집진기에서집진부만을제거하고하전부만사용하였다. 실험에서사용한하전부와집진부는각각 DC 고전압전원공급장치 ( 최대 30 kv/10 ma, KSC 한국스위칭 ) 를사용하여음의고전압을개별적으로인가하였다. 하전부에사용된방전전극과접지전극의형태는 Fig. 1의검은색파선안에나타나있으며, 번갈아가며배열하였다. 집진부에사용된집진판은 Fig. 1의빨간색파선안에나타나있으며같은형태의집진판을접지와고전압을번갈아가며배열하였다. 방전전극은코로나방전을용이하게하기위해서가장자리가뾰족한평판형으로제작하였다. Fig. 2는왼쪽부터스테인리스강 (M), 탄소코팅 플라스틱 (CPC, 0.25 mm PET 플라스틱쉬트양면에탄소잉크 0.01 mm코팅층 ), 플라스틱코팅탄소 (PCP, 0.25 mm PET 플라스틱쉬트단면에탄소잉크 0.01 mm코팅후 0.15 mm PET 플라스틱쉬트코팅 ) 재질의집진판의그림이다. 탄소코팅플라스틱 (CPC) 집진판은 PET 필름의양쪽면을전도성탄소잉크로코팅하였다. 이때탄소코팅판은 PET필름에카본페이스트를 2중으로도포및인쇄하여육안으로보았을때, 긁힘이없고매끈하게마감되어유동에의해탄소코팅입자의탈부착이없었다. 플라스틱코팅탄소 (PCP) 집진판은 PET 필름의한쪽면에탄소잉크를코팅한후, PET 필름을덧씌웠다. 각집진판의폭은 100 mm, 높이는 300 mm이다. 집진부 1개에 12개의집진판이 10 mm간격으로배치되어집진면적은약 1.3 m 2 이다. Figure 2. The sketch of each collection electrode (a) stainless steel (M), (b) Carbon ink coating layer-plastic sheet-carbon ink coating layer (CPC), (c) Plastic sheet-carbon ink coating layer-plastic sheet (PCP) Figure 1. Schematic of the experimental setting of this study Part. Aerosol Res. Vol. 17, No. 2(2021)
24 안소희 이예완 김예슬 김용진 한방우 김학준 Fig. 3은하전부의전기장에따른전류그래프이다. 개시전압은 2.5 kv이고전류는 0.002 ma이다. Fig. 4는발생시킨오일입자의크기별개수분포이다. 3.0 μm의입경크기에초점을맞춰집진효율을평가하였다. 이후그래프에는개수누적빈도의중앙값은 CMD, 질량누적빈도의중앙값은 MMD로표기하였다. Figure 3. Corona current according to applied electric field of the pre-charger module. Figure 5. Particle diameter according to cumulative fraction. Mass Median Diameter(MMD) is 3.0 μm, Count Median Diameter(CMD) is 0.45 μm. 3. Experimental results Figure 4. Number concentration of oil mists based on particle diameter. 집진효율은전기집진기후단에서광학식입자계수기 (OPC; Optical Particle Counter, model 1.109, GRIMM) 를이용해집진기작동전후의입자개수농도를측정해아래의식에대입하여구하였다. 식 (1) η는전기집진기의집진효율 (%), n 1 은전기집진기작동전입자의개수농도 (#/L), n 2 는전기집진기작동후입자개수농도 (#/L) 이다. 본연구에서는 Fig. 5에나타난개수누적빈도의중앙값 (CMD, Count Median Diameter) 0.45 μm, 질량누적빈도의중앙값 (MMD, Mass Median Diameter) Fig. 6는 1단전기집진기와 2단전기집진기의 PM 2.5, PM 10 집진효율을비교한그래프이다. 1단전기집진기와 2단전기집진기의집진성능을비교하기위해서하전부와집진부에 7.8~ 10 kv의전압을인가하였으며, 유속은 3 m/s로고정하였다. 동일하전부인가전압에서 2단전기집진기가 1단전기집진기보다 PM 2.5 제거효율은 22~25% 높았으며, PM 10 제거효율은 17~24% 더높았다. 즉동일한유속, 인가전압에서 2단전기집진기가 1단전기집진기에비해집진성능이우수한것을확인하였다. 실험에서사용된스테인리스강 (M) 집진판한개의무게는 81.7 g, 플리스틱코팅탄소 (PCP) 집진판한개는 12 g, 탄소코팅플라스틱 (CPC) 집진판한개는 10.6 g이다. 동일한개수의집진판을사용한다면스테인리스강 (M) 에비해무게를약 8배경량화할수있다. Fig. 7에서는동일한하전부인가전압, 유량조건에서집진부전기장에따른집진판재질별 PM 10 제거효율을측정하였다. M, CPC, PCP 재질모두집진부전기장이높아지면집진효율이증가하는추 Particle and Aerosol Research 제 17 권제 2 호
내부식성과경량성향상을위한비금속재질집진판의 2 단전기집진기집진효율연구 25 세를보였다. 전기장세기가약 0.5 kv/ mm부터는금속집진판과비금속집진판의효율이 5% 미만으로거의비슷하였으며, 0.6 kv/ mm이상에서는모든재질의효율이 90% 이상이었다. CPC 재질과 M 재질의집진판은집진효율차이가 3% 미만이었다. 전압을인가하였고, CPC 재질의집진판에접지를연결하였다. CPC-CPC는 CPC 재질의집진판을고전압과접지를번갈아가며연결해배열한집진부이다. Figure 6. Comparison of particle removal efficiency according to applied voltage of the pre-charger module between single stage ESP and two stage ESP. Figure 8. 0.45 μm(cmd) and 3.0 μm(mmd) particle collection efficiency of PCP-CPC collection module and CPC-CPC collection module according to the flow rate. 일반적인전기집진기의효율은아래의식 (2)-(4) 에의해계산된다 (Hinds, 1999). exp 식 (2) 식 (3) 식 (4) Figure 7. Comparison of the PM 10 removal efficiency according to the materials of each collection electrode. Fig. 8은비금속재질의집진판집진효율을비교한그래프이다. 앞서구한개수누적빈도의중앙값 (CMD) 에해당하는입자직경 0.45 μm와질량누적빈도의중앙값 (MMD) 에해당하는입자직경 3.0 μm의제거효율을측정하였다. 하전부인가전압은 7.8 kv, 집진부인가전압은 7 kv로고정하였다. 그래프의 PCP-CPC는 PCP와 CPC 재질의집진판을사용한집진부로 PCP 재질의집진판에고 는전기집진기의집진효율 (%), Q는유량 (m 3 /s), W m 은입자가집진판으로이동하는속도 (m/s), A는집진면적 (m 2 ), Q p 는입자의하전량 (C), E c 는집진부의전기장세기 (V/m), C c 는 Cunningham correction factor, μ는공기의점성계수 (Pa s), D p 는입자의직경 (m), V는집진부인가전압 (V) 이며 m는집진부의고전압전극과접지전극사이의간격 (m) 이다. PCP 재질에집진판에고전압을연결하고, CPC 재질의집진판에접지를연결한 PCP-CPC 집진부와 CPC 재질의집진판으로만구성된 CPC-CPC 집진부의유량별효율을비교해보았다. PCP 재질의집진판은약 0.41 mm, CPC 재질의집진판은약 0.27 mm로 CPC 재질의집진판의두께가약 1.5배얇다. 이로인해 Fig. 8에서와같이유량이 15 Part. Aerosol Res. Vol. 17, No. 2(2021)
26 안소희 이예완 김예슬 김용진 한방우 김학준 m 3 /min이상일때 CPC 재질의집진판이유동에의해흔들리는현상이발생하여집진효율이식 (2) 의유량과효율간의반비례경향성을따르지않고, 일정하게유지되었다. 이는고유량하에서 CPC 집진판의흔들림때문이며, Fig. 7에서와같이집진부의전기장세기가 0.5 kv/ mm이상에서 PCP-CPC 재질의집진부와 CPC-CPC 재질의집진부의집진효율의오차가 5% 이내로거의발생하지않은점을고려하여, CPC 재질의경우에도유량이증가함에따라효율이감소될것으로판단된다. 특히, 유량이 16 m 3 /min이상인 CPC 집진판실험조건에서는집진판흔들림으로인해인가전압이불안정해져실험이불가능하였다. 따라서이후실험효율과이론효율을비교할때 PCP 재질의집진판에초점을맞췄다. Fig. 9는집진부인가전압에따른집진효율을나타낸그래프이다. 유량은 6.5 m 3 /min으로고정하였으며하전부인가전압은 7.8 kv로고정하여실험을진행하였다. 집진부에 1 kv부터 7 kv까지증가시키며앞선실험과동일한이유로직경이 0.45 μm인입자 (CMD) 와 3.0 μm인입자 (MMD) 의제거효율을측정하였다. 이론효율은식 (3) Cochet`s charging theory를사용하여하전량을구하였다 (Riehle, 1997). (m), 는평균자유경로 (m), ε r 은탭핑유의유전율인 2.5, ε 0 은진공유전율, E p 는하전부전기장 (V/m) 이다. 정전기력과항력의힘의평형으로부터입자가집진판으로이동하는속도 W m 을식 (4) 와식 (5) 의결과값으로식 (3) 에대입해계산한후, (2) 에대입하여이론효율을계산하였다. 입자직경이 0.45 μm (CMD) 인경우에는 Cochet s charging theory를이용한이론효율과실험효율간에약 15% 정도의오차가발생했다. 그이유는직경이 0.45 μm (CMD) 인입경은확산에의한하전을무시할수없기때문이다 (Hinds, 1999). ln 식 (6) 는하전된입자의개수, D p 는입자의직경 (m), 는볼츠만상수 (kg m 2 s -2 K -1 ), 는온도 (K), 는전자의전하량 (C), 는이온의평 균속도 (m/s), 는이온의농도 (#/m 3 ), 는체류 시간 (s) 이다. 확산에의한하전은식 (6) 에의해계산가능하다. 식 (6) 를활용하기위해서는하전부에서방출되는이온농도를측정하여야하지만강한전기장으로인해방출된이온은수 ms 이내로사라지기때문에정확한이온농도를알기어렵다. 따라서본논문에서는확산에의한하전은별도로다루지않았다. 반면입자직경이 3.0 μm (MMD) 인경우에는이론과실험효율이 5% 이상차이가나지않았다. 4. Conclusion Figure 9. Experimental and theoretical collection efficiency of 0.45 μm(cmd) particle and 3.0 μm(mmd) particles according to the applied voltages of the collection module using PCP and CPC collection electrodes. 식 (5) 는입자의하전량 (C), Dp 는입자의직경 본연구에서는기존산업시설에적용되어있는 1단전기집진기보다안정성과효율성을증가시킬수있는 2단전기집진기를중점적으로연구하였다. 또한실제산업시설에적용할때경제적비용을줄이기위해내부식성금속을대체가능한내부식성이높은 PET 플라스틱에탄소잉크를코팅기반으로한집진판을제작하여집진성능에대하여연구하였다. 스테인리스강 (M), 플라스틱코팅탄소 (PCP), 탄소코팅플라스틱 (CPC) 재질로총 3개의 Particle and Aerosol Research 제 17 권제 2 호
내부식성과경량성향상을위한비금속재질집진판의 2 단전기집진기집진효율연구 27 집진판을적용한집진부에인가전압변화, 입자직경, 유량등을변화해가며집진효율을측정하였다. 결과적으로, 탄소코팅의플라스틱비금속집진판은금속재질과비교하여집진성능면에서차이가없었으며, 무게는 1/8 배에불과하였다. 그러나 PCP 재질보다두께가 1.5배얇은 CPC 재질로만구성된집진부를사용시유량이증가하면집진판이유동에따라흔들리며전극간격이유지되지않고맞닿으면서스파크가튀는문제가발생하였다. 따라서안정성을확보하기위해 PCP와 CPC로구성된집진부를사용하는것이권장된다. 또한 PCP와 CPC로구성된집진부를사용하는경우에기존의전기집진이론을따른다는것을확인하였다. 본연구에서사용된탄소잉크와플라스틱을사용한집진판을적용한전기집진기는환경규제가급속도로엄격해지는현시점에서무게, 비용, 성능, 안정성다양한측면에서효과적일것으로예상된다. 감사의글 This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20181110200170, Core Technology Development of Removal of Acid Gas and Fine Particle for Coal Thermal Power Plant). References Kang, G., Li, L., Wang, W., and Yu, D. (2016). Study of a polyaniline/polypropylene collecting electrode and its particle removal efficiency, RSC Advances, 6(79), 75038-75044. Kim, D. (2013). Fine dust threatening health, causes and countermeasures, Issue & Diagnosis, 121, 1-25. Kyung, D. (2019). Principle and Technology Development Trend of Fine Dust Treatment Techniques, Ministry of Land, 34-41. Chang, J. S., Lawless, P. A., and Yamamoto, T. (1991). Corona discharge processes, IEEE Transactions on Plasma Science, 19(6), 1152-1166. Feng, S., Gao, D., Liao, F., Zhou, F., and Wang, X. (2016). The health effects of ambient PM2.5 and potential mechanisms, Ecotoxicology and Environmental Safety, 128, 67-74. Hinds, W. C. (1999). Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York. Jaworek, A., Marchewicz, A., Sobczyk, A. T., Krupa, A., and Czech, T. (2018). Two-stage electrostatic precipitators for the reduction of PM2.5 particle emission, Progress in Energy and Combustion Science, 67, 206-233. Lee, Y., Sung, J. H., Han, B., Kim, Y. J., and Kim, H. J. (2020). Particle removal performance of a two stage electrostatic precipitator with carbon based nonmetallic collection plates for oil mist, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1-7. National Institute of Environmental Research (2019). Air pollutant emissions 2016, National Fine Dust Information Center, p. 12. Riehle, C. (1997). Basic and theoretical operation of ESPs, in Applied electrostatic precipitation. Springer, Dordrecht, 25-88. Wang, X., Chang, J., Xu, C., Zhang, J., Wang, P., and Ma, C. (2016). Collection and charging characteristics of particles in an electrostatic precipitator with a wet membrane collecting electrode, Journal of Electrostatics, 83, 28-34. Part. Aerosol Res. Vol. 17, No. 2(2021)