ISSN 1738-8716(Print) ISSN 2287-8130(Online) Particle and Aerosol Research Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4: December 2018 pp. 121-133 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2018.14.4.121 정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 김진선 1),2) 김학준 1),2) 한방우 1) 우창규 1) 김용진 1),* 이상린 3) 문상철 3) 1) 환경시스템연구본부, 한국기계연구원 2) 환경에너지기계공학전공, 과학기술연합대학원대학교 (UST), 3) 두산중공업 (2018년 11월 20일투고, 2018년 12월 18일수정, 2018년 12월 20일게재확정 ) Particle removal characteristics of high-velocity electrostatic mist eliminator Jin-seon Kim 1),2) Hak-Joon Kim 1),2) Bangwoo Hana Chang Gyu Wooa Yong-Jin Kim 1),* Sangrin Lee 3) Sangchul Moon 3) 1) Environmental System Research Division, Korea Institute of Machinery and Materials, 2) Environment & Energy Mechanical Engineering, University of Science & Technology, 3) Doosan Heavy Industries & Construction Co. LTD (Received 20 Nov 2018; Revised 18 Nov 2018; Accepted 20 Dec 2018) Abstract In this study, we developed a flat-plate type wet electrostatic precipitator that generates stable corona discharge compared to wire type discharge electrode. In order to compare the particle removal efficiency according to the shape of the discharge electrode such as the variation of the horizontal and vertical distance between spiked edges, and the variation of the height of discharge pin support were tested. As a result, when the horizontal distance between spiked edges was increased up to 36 mm, the vertical distance between spiked edges was increased up to 54 mm, and the height of the discharge pin support was increased up to 76 mm, the removal efficiency of PM10 was maintained at approximate 60.0%. Furthermore, the removal efficiency of particles over 5 μm was about 80% or more. When the flow rate was 4 m/s, the gap between collection plates was 60 mm, and -14 kv was applied to the discharge electrode. The particle removal efficiency of the flat-plate type electrostatic precipitator was maintained when the horizontal and vertical distance between spiked edges, and the height of the discharge pin support was below a certain level. Those variables may be the important design factors for the shape of the discharge electrode. Therefore, when designing the electrostatic precipitator with multiple channels, the horizontal and vertical distance between spiked edges, and the height of discharge pin support must be selected in consideration of the weight of the discharge electrode and the processing cost. Keywords: mist eliminator, electrostatic precipitator, discharge electrode, corona discharge * Corresponding author. Tel:+82-42-868-7475, Fax:+82-42-868-7284 E-mail:yjkim@kimm.re.kr
122 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 1. 서론동북아시아지역의경제성장으로인해많은양의대기오염물질이배출되면서연간 PM2.5의농도가높게나타나고있다. (Choi and Kim, 2018) Fang et al. (2018) 이 1994 ~ 2014년동안중국, 몽골, 홍콩, 대만, 한국, 일본및인도와같은아시아국가에서 PM2.5 농도를관찰한결과, 중국의평균 PM2.5 농도가가장높았고인도의경우 PM2.5 농도가지난 20년동안아시아국가중에서가장빨리증가하였으며위국가들의 PM2.5 농도가전체적으로현저히증가하였다. 특히한국의경우 2017년에발표된미세먼지관리종합대책에따르면 2016년평균 PM2.5 농도는전국과서울모두 26 μg /m 3 으로, 이는 WHO ( 세계보건기구 ) 에서제시하고있는연평균 PM2.5 농도인 10 μg /m 3 에비해 2배정도높은수치이다. 이러한초미세먼지 (PM2.5) 에장기간노출되면폐렴, 폐암발생을증가시키고폐기능을저하시키며혈관에자극을주어심근경색이나심부전등의심혈관질환으로사망하게될확률이높아진다. (Castanas and Kampa, 2007) 이처럼인체에심각한영향을미치는 PM2.5의농도를낮추기위한대기오염물질의배출량관리와저감기술의필요성이증대되고있다. 2017 미세먼지관리종합대책에의하면국내미세먼지배출원중전국적으로사업장이 38%, 건설기계, 선박등이 16%, 발전소가 15%, 수도권기준경유차가 23%, 건설기계, 선박등이 16%, 사업장이 14% 를차지하고있으므로사업장의미세먼지배출량을저감하는것이중요하다. 사업장부문미세먼지배출원저감을위한단기및중장기대책을살펴보면다량배출사업장 ( 제철, 제강, 석유정제, 시멘트등 ) 의배출허용기준이강화되고질소산화물에대한대기배출부과금이부과될예정이다. 이에각사업장에서는높은성능을가진대기오염방지시설의설치및유지가요구될것이다. 대기오염제어용으로널리사용되는미스트엘리미네이터는화력발전소탈황설비 (FGD) 나제철 / 제강및선박엔진등에광범위하게사용되고있다. 기존의미스트엘리미네이터는각각의플레이트가일정한간격으로정렬되어여러개의구불구불하고협소한채널로설계되는데경우에따라서는입자의제거와배수를돕기위한후크가추가된다. 미스트 엘리미네이터의입자제거원리는가스에포함된액적이플레이트사이의좁은채널을지날때반복적으로변화되는유동방향을따라가지못하는큰관성을가진액적은벽면에충돌하게된다. 이렇게벽면에충돌한액적이모여액막 (Liquid film) 을형성한후중력에의해배수됨으로써제거된다. (James and Wang, 1998; Melaaen and JØsang, 2002; Azzopardi et al., 2003; Kulasekharan et al., 2013; Fan et al., 2015; Hamedi Estakhrsar et al., 2016). 이러한제거기작으로인해기존의미스트엘리미네이터는액적의크기또는가스의속도가증가하면액적의분리효율이높아지는반면가스속도가느리거나액적의크기가작을경우미스트를효과적으로제거하지못한다. (Jiang et al., 2017) 특히입경 10 μm 이하의미세한미스트입자는기존의미스트엘리미네이터로포집및제거가어려운반면, (Banitabaei et al., 2012) 습식전기집진기의경우미세입자의포집이용이하고높은집진효율을얻을수있으며압력손실이적고온도, 습도, 압력등의영향을고려할때적용범위가넓다는장점이있어폐기물소각장, 제철소등각종산업분야에서널리사용되고있다. (Jo and Park, 2013; Guerra and Oliveira, 2018). 그러나종래의습식전기집진방식은유속저하와크기의대형화등의문제로적용에한계를지니고있다. 이에본연구에서는설치공간을최소화하고코로나방전을최대한활성화시키는새로운형태의전기집진식미스트엘리미네이터를개발하였다. 방전극과집진부의고전압판을하나로합친판의형태를한방전극을도입해와이어형방전극에비해안정적인코로나방전이발생하도록하여 (Jaworek et al., 2018), 공간효율이좋은 1단전기집진기의장점과집진효율이높은 2단전기집진기의장점을동시에달성하고자하였다. 2. 실험장치및방법그림 1은평판형습식전기집진기의방전극형상을최적화하기위해제작된실험장치의모식도이다. 본연구에서는유속, 집진판간격, 방전극형상등에따른 1단전기집진기의집진성능을평가하고자하였으며, 1단, 1채널구조의전기집진기를제작하였 Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 123 Fig 1. Schematic of the experimental apparatus. 다. 집진판은 Stainless steel 재질로두께 4 mm, 가로와세로길이는각각 500 mm 크기로제작되었고, 두장의집진판사이에위치한방전극은 stainless steel 재질에두께 2 mm, 가로 396 mm, 세로 458 mm 크기로제작되었다. 유속별, 집진판간격별집진성능비교실험과방전극형상에따른집진성능비교실험은입자발생시공기및입자간마찰에의해하전이되지않는오일 ( 탭핑유 ST-501, 이레산업, Korea) 을실험입자로사용하였다. 유속별, 집진판간격별집진성능비교실험의경우집진기통과유량이증가함에따라 Mass flow controller (TN-280SAV, Celerity, Inc., USA) 로 2개의 Nebulizer (8900-7-50, Salter Labs, USA) 에 2 bar의압축공기를 4.5 ~ 6.0 L/min로공급하여입자를발생시킴으로써비슷한유입농도조건이되도록하였으며, 방전극형상에따른집진성능비교실험의경우 2개의 Nebulizer에 2 bar의압축공기를 4.5 L/min로공급하여입자를발생시켰다. Nebulizer의출구로부터 300 mm 떨어진지점에직경 90 mm의원형판을설치하여오일미스트분사시미스트의혼합이원활하고, 고속의조대한입자유입을원천적으로차단하였다. 전기집진기의통과속도는원심송풍기 (DATF-2.5#, DONG-A PUNG REOK CO., LTD., Korea) 를이용해제어하였으며관내유속은다기능종합환경측정기 (Testo 480, Testo SE & Co. KGaA, Germany) 에 16 mm Vane type 프로브를연결하여측정하였다. 또한, 전기집진기의유속별입자제거효율실험시내부유속을 2~5 m/s로변화시켜운전하였고, 집진판간격에따른집진성능평가와방전극형상에따른집진성능평가시에는내부유속을 4 m/s로고정하였다. 본연구에서는직류고전압발생장치 (Max -30 kv/10 ma, Korea Switching, Korea) 를이용하여 Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4(2018)
124 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 전기집진기에전압을인가하여코로나방전및집진을하였고, 입경별질량농도분포는등속흡입샘플링장치 (#1.152 Isokinetic stainless steel sampling probe, Grimm Aerosol Technik GmbH, Germany) 와연결된광학입자계수기 (OPC; Model1.109, Grimm Aerosol Technik GmbH, Germany) 를이용하여계측하였다. 그림 2는실험에서평가된방전극의기본형상을나타내었다. 톱날모양의줄이가로로 8개있고각줄사이의간격은 46 mm이며방전극가운데에세로방향으로너비 12 mm의지지대가있다. 고전압인가시코로나방전이발생하는톱날모양의방전핀은밑변 7 mm, 높이 8 mm의삼각형모양으로각줄에교차로위치할수있도록설계되었다. 이때, 방전핀의가로방향간격은 12 mm, 세로방향간격은 30 mm, 방전핀이부착된지지대의높이는 15 mm 이다. 본연구에서는최적의방전극형상을도출하기위해그림 3과같이톱날모양을한방전핀의가로방향간격과세로방향간격, 방전핀이부착된지지대의높이를변화시켜실험을진행하였다. Fig, 2. The basic form of the discharge electrode. 방전핀의가로방향간격의경우 12, 24, 36, 72, 81, 144 mm, 방전핀이없는방전극까지포함하여총 7개방전극의입자제거효율을비교하였다. 방전핀의세로방향간격변화실험의경우방전핀의가로방향간격이 36 mm일때, 방전핀이부착된지지대 Fig. 3. The variation of geometry of the discharge electrode for the comparison of the particle removal efficiency. Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 125 를한개씩줄이고등간격으로배치하여 30, 40, 54, 76, 111, 183 mm로총 6개방전극의입자제거효율을비교하였다. 방전핀이부착된지지대의높이변화실험의경우방전핀의가로방향간격이 36 mm일때, 방전핀의세로방향간격은 30 mm로고정하고방전핀이부착된지지대를한개씩줄이면서각지지대의높이를 15, 25, 35, 52, 76, 117, 198 mm로늘려총 7개방전극의입자제거효율을비교하였다. 극을사용하였고집진판의간격은 60 mm로고정하였다. 오일미스트제거효율은집진부상단의덕트에서등속흡입샘플링장치와연결된광학입자계수기로입경별질량농도를계측하였고, 식 (1) 과같이전기집진기에전압을인가하지않았을경우전기집진기후단에서측정된 PM10 농도를기준으로전기집진기에전압을인가하였을때, 전기집진기후단에서측정된각각의 PM10 농도와비교하였다. 3. 실험결과및고찰 평판형습식전기집진기의유속별오일미스트 제거효율실험은그림 2 와같은기본형상의방전 (1) 여기서, C 0 는전기집진기에전압을인가하지않았을경우전기집진기후단에서측정된입자의농도, C 1 는전기집진기에전압이인가되었을경우전기집 (a) (b) (c) (d) Fig. 4. The results of the experiment of the particle removal efficiency by the variation of flow velocity. (a) average oil particle size distribution of upstream, (b) V-I characteristics, (c) mass concentration and particle removal efficiency of the downstream by the variation of the applied voltage, and (d) the comparison of the particle removal efficiency by the particle size. Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4(2018)
126 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 진기후단에서측정된입자의농도를의미한다. 그림 4(a) 는평판형습식전기집진기의유속별오 일미스트제거효율실험에서 0 kv 인가시입경별 질량농도의평균분포이다. Nebulizer 로오일입자 를발생시켰을때, 10 μm 이하의입자들이발생되 었고그중 2.5 ~ 3.0 μm 크기의입자가 122.8 μ g/m 3 으로가장높은농도로발생되었다. 2 ~ 5 m/s 로 1 m/s 씩유속을증가시키며각각 2 회씩실험하였고 0 kv 인가시 PM10 평균약 712.8 μg/m 3, 편차는 약 16.7 μg/m 3 으로각실험모두비슷한입자발생 조건에서실험을진행하였다. 그림 4(b) 는유속별오일미스트제거효율실험 의전압 - 전류특성이다. 코로나개시전압은 6.2 kv 로나타났고, -10 kv 인가시 0.075 ma, -12 kv 인가 시 0.245 ma, -14 kv 인가시 0.57 ma 로나타났다. 그림 4(c) 는유속별오일미스트제거효율과 PM10 농도변화를나타내었다. 2 m/s 에서유속이 1 m/s 씩증가할수록입자제거효율은대부분선형적 으로감소하는추세를보였다. 이는식 (2) 와같이 전기집진기의입자제거효율은체류시간 (L/υ ) 에 크게지배되므로 (Mizuno, A., 2000) 유속이증가할수 록전기장영역을지나는입자의체류시간이짧아지 면서입자제거효율이감소하는것으로판단된다. exp (2) ω : Migration velocity [m/s] : Length of the collecting electrode along the gas υ stream [m] : Gas velocity [m/s] : Gap between the discharge and the collecting electrode [m] : Correction factor determined from the geometry of the electrodes, condensation and reentrainment, etc. 그림 4(d) 는유속별오일미스트제거실험의입 경별입자제거효율을나타내었다. 입경이증가할 수록입자제거효율은대부분선형적으로증가하 는추세를보인다. 3 μm 크기이상의입자는유속 5 m/s 를제외한 2, 3, 4 m/s 모두약 80.0% 이상의제 거효율을나타내었다. 평판형습식전기집진기의집진판간격에따른 집진성능평가실험은그림 2 와같은기본형상의 방전극을사용하였고, 이때전기집진기통과유속은 4 m/s 로고정하였으며집진판의간격을 60, 80, 120 mm 로변화시켜실험을진행하였다. 기존의일반적 인전기집진기의통과유속은 1 m/s 정도의수준으로 설계가되는데처리가스의양이동일할때집진기 의통과유속이 4 m/s 일경우집진기의크기를 1/4 수준으로축소가가능하기때문에 4 m/s 를기준으로 실험을진행하였다. 전압미인가시입경별질량농 도의평균분포는유속별오일미스트제거효율실 험과유사한분포를보였고, 입자제거효율은식 (1) 과같이도출되었다. 그림 5(a) 는집진판간격에따른오일미스트제 거효율실험의전압 - 전류특성을나타내었다. 전기 집진기통과유속이 4 m/s 일때, 고전압발생장치 를이용해 0 ~ -28 kv 까지인가해전류를확인하였 다. 가장낮은코로나개시전압은집진판간격이 80 mm 일때 -6.35 kv 로나타났고, 120 mm 일때 -6.6 kv, 60 mm 일때 -7.0 kv 로나타났다. 집진판간격이 좁을수록동일한전압을인가할경우전류가높게 나타났다. 전기장의세기는집진판간격에반비례하 므로동일한전압을인가할경우집진판간격이증 가할수록입자제거효율이감소한다. 전기집진기 통과유속이동일할때집진판간격이증가하면처 리가스유량이증가하므로동일한단위유량당소 비전력 (W/(m 3 /min)) 일때의입자제거효율을비교 하기로한다. exp exp ω : Migration velocity [m/s] : Collection area [m 2 ] : Flow rate [m 3 /s] : Particle charge [C] : Electric field [V/m] μ : Viscosity [Pa s] : Diameter of Particle [m] (3) Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 127 (a) (b) (c) Fig. 5. The results of the experiment of the particle removal efficiency by the variation of the gap between the collection plates. (a) V-I characteristics, and particle removal efficiency (b) by power/flow rate, (c) by electric field strength. 식 (3) 에따라 (Mizuno, 2000) 집진판간격이증가하여도동일한입자제거효율을나타내기위해서는전기집진기통과유속이같을때처리가스유량이증가하므로더높은전압과전류를인가해야한다. 단위유량당소비전력이평균약 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 W/(m 3 /min) 일때입자제거효율을비교하기위해집진판간격이 60 mm일때 11.15, 11.9, 12.65, 13.3, 13.75, 14.2 kv, 80 mm일때 13.65, 14.9, 16.45, 17.35, 18.1, 18.8 kv, 120 mm일때 19.25, 21.4, 23.85, 25.55, 26.9, 28 kv를인가하였다. 이때의전류는 0.07~0.08, 0.12~0.14, 0.225~0.25, 0.325~0.34, 0.42~0.43, 0.52~0.525 ma 로, 인가한전압의세기는집진판의간격에따라상이하여도전류는비슷한 수준으로나타났다. 그림 5(b) 는평판형습식전기집진기의집진판간격별단위유량당소비전력 (W/(m 3 /min)) 에따른입자제거효율을나타내었다. 동일한단위유량당소비전력일때집진판간격이 60, 80, 120 mm 모두비슷한입자제거효율을보였다. 그림 5(c) 는평판형습식전기집진기의집진판간격별전기장세기에따른입자제거효율을나타내었다. 입자제거효율이약 20% 일때집진판간격이 120, 80, 60 mm 각각 158.3, 170.6, 185.8 V/m로상이하나, 입자제거효율이약 60% 일때 120, 80, 60 mm 각각 231.7, 235.5, 236.7 V/m로비슷한수준으로나타났다. 다만, 집진판의간격이좁을경우저 Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4(2018)
128 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 (a) (b) (c) Fig. 6. The results of the experiment of the particle removal efficiency by the variation of horizontal distance between spiked edges. (a) V-I characteristics, and particle removal efficiency (b) by the variation of horizontal distance between spiked edges, (c) by the particle size. 용량파워서플라이를사용해안정적인코로나를생성하여고효율을낼수있으므로본연구에서는방전극형상비교실험에서집진판의간격을 60 mm 로채택하였다. 그림 6(a) 는방전극형상비교중톱날모양방전핀의가로방향간격변화에따른전압-전류특성은집진부통과속도가 4 m/s 일때, 고전압발생장치를이용해 0 ~ -20 kv까지인가해전류를확인하였다. 가장낮은코로나개시전압은방전핀의가로방향간격이 12 mm일때 -6.2 kv로나타났고방전핀이없는방전극의경우 -7 kv에서코로나방전전류가측정되었다. 방전핀의가로방향간격이 12, 24, 36 mm의경우비슷한전압-전류특성을보였으며 72, 81, 144 mm, 방전핀이없는방전극순으로동일 한전압을인가했을때전류가점차낮아졌다. 이는 12, 24, 36 mm까지는방전핀의가로방향간격이늘어나면서방전핀의개수가줄어들어도이웃한방전핀사이의전기장중첩에의해코로나방전량이비슷하나, 72 mm 이상간격이늘어날경우방전핀의전기장이서로독립적이기때문에방전핀의개수가줄어들어코로나방전전류가현저히줄어드는것으로사료된다. 그림 6(b) 는방전핀의가로방향간격변화에따른 -14 kv 인가시 PM10, PM2.5 입자제거효율이다. 전압-전류특성에서동일한전압을인가하였을때, 비슷한전류값을보였던 12, 24, 36 mm 간격의방전극과 72 mm 간격의방전극은비슷한입자제거효율을나타내었고, 81, 144 mm, 꼭지점이없는방 Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 129 (a) (b) (c) Fig. 7. The results of the experiment of the particle removal efficiency by the variation of vertical distance between spiked edges. (a) V-I characteristics, and particle removal efficiency (b) by the variation of vertical distance between spiked edges, (c) by the particle size. 전극순으로입자제거효율이감소하였다. 이는방전핀의가로방향간격이 36 mm까지증가하여도코로나방전전류가일정하기때문에입자하전량도유사할것으로사료되며, 이후간격에서는코로나방전전류가감소하므로입자하전량이감소하여집진효율이감소한것으로판단된다. 그림 6(c) 는방전핀의가로방향간격변화에따른입경별입자제거효율이다. 입자하전량은전계하전에서는 에, 확산하전에서는 에비례하므로입자의크기가커질수록입자제거효율이증가하는추세로나타난다. -14 kv 인가시방전핀의가로방향간격이 12, 24, 36, 72 mm까지증가하여도입경별입자제거효율이비슷한추세로나타났고, 81, 144 mm, 방전핀이없는방전극순으로입경별입자 제거효율이감소하였으며방전핀의가로방향간격이 12, 24, 36, 72 mm까지변화했을때 5 μm 크기이상의입자는 80% 이상의제거효율을보였다. 그림 7(a) 는방전극형상비교중톱날모양방전핀의세로방향간격변화에따른전압-전류특성은집진부통과속도가 4 m/s 일때, 고전압발생장치를이용해 0 ~ -20 kv까지인가해전류값을확인하였다. 가장낮은코로나개시전압은방전핀의세로방향간격이 76, 111, 183 mm일때 -5.4 kv로나타났고 54 mm일때 -5.5 kv, 30, 40 mm일때 -6.0 kv 에서코로나방전이시작되었다. 방전핀의세로방향간격이 30, 40, 54, 76 mm의경우비슷한전압-전류특성을보였으며 111, 183 mm 순으로동일한전압을인가했을때전류가점차낮아졌다. 이는 30, Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4(2018)
130 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 40, 54, 76 mm까지는톱날모양의줄이한줄씩줄어들고줄간간격이늘어나면서방전핀의개수가줄어들어도이웃한방전핀사이의전기장중첩에의해코로나방전량이비슷하나, 111 mm 이상간격이늘어날경우방전핀의전기장이서로독립적이기때문에방전핀의개수가줄어들어코로나방전전류가현저히줄어드는것으로사료된다. 그림 7(b) 는톱날모양방전핀의세로방향간격변화에따른 -14 kv 인가시 PM10, PM2.5 입자제거효율이다. 전압-전류특성에서동일한전압을인가하였을때, 비슷한전류값을보였던 30, 40, 54 mm 간격의방전극은비슷한입자제거효율을나타내었고, 76, 111, 183 mm 순으로입자제거효율이감소하였다. 이는방전핀의세로방향간격이 54 mm까지증가하여도코로나방전전류가일정하기 (a) 때문에입자하전량도유사할것으로사료되며, 이후간격에서는코로나방전전류가감소하므로입자하전량이감소하여집진효율이감소한것으로판단된다. 그림 7(c) 는톱날모양방전핀의세로방향간격변화에따른입경별입자제거효율이다. 입자하전량은전계하전에서는 에, 확산하전에서는 에비례하므로입자의크기가커질수록입자제거효율이증가하는추세로나타난다. -14 kv 인가시방전핀의세로방향간격이 30, 40, 54 mm까지증가하여도입경별입자제거효율이비슷한추세로나타났고, 76, 111, 183 mm 순으로입경별입자제거효율이감소하였으며방전핀의세로방향간격이 30, 40, 54, 76 mm까지변화했을때 5 μm 크기이상의입자는 80% 이상의제거효율을보였다. (b) (c) Fig. 8. The results of the experiment of the particle removal efficiency by the variation of height of the discharge pin support. (a) V-I characteristics, and particle removal efficiency (b) by the variation of height of the discharge pin support, (c) by the particle size. Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
정전고속미스트엘리미네이터의포집효율특성 131 그림 8(a) 는방전극형상비교중톱날모양방전핀지지대의높이변화에따른전압-전류특성이다. 집진부통과속도가 4 m/s 일때, 고전압발생장치를이용해 0 ~ -20 kv까지인가해전류값을확인하였다. 가장낮은코로나개시전압은톱날모양방전핀지지대의높이가 25 mm일때 -6.1 kv로나타났고 15 mm일때 -6.6 kv, 52 mm일때 -6.7 kv, 35, 76 mm일때 -7.0 kv에서반응하였다. 방전핀지지대의높이가 15, 25 mm의경우비슷한전압-전류특성을보였고 35, 52, 76 mm 순으로동일한전압을인가했을때전류가점차낮아졌다. 이는톱날모양의줄이한줄씩감소하면서방전핀의개수도감소하기때문에동일한전압을인가하여도방전핀의전기장이서로독립적이기때문에코로나방전전류가점차감소하는것으로판단된다. 다만톱날모양방전핀의세로방향간격변화와방전핀지지대의높이변화모두한줄씩감소하면서방전핀의개수가동일하게감소함에도불구하고전압-전류특성에서다소다른현상을보인다. 이점은추후에방전극의전기장형성시뮬레이션분석이필요해보인다. 그림 8(b) 는톱날모양방전핀지지대의높이변화에따른 -14 kv 인가시 PM10, PM2.5 입자제거효율이다. 톱날모양의줄수와방전핀의개수가감소함에따라고전압인가시전류또한감소하여전기장의세기가약해질것으로예상하였고이에입자제거효율또한감소할것으로예상하였으나전압-전류특성과는다르게뚜렷한경향을보이지않는다. 이는방전핀의세로방향간격이 76 mm 이상증가하면코로나방전전류가감소하여입자제거효율또한감소한것과달리, 톱날모양의줄수와방전핀의개수가감소하였으나톱날모양방전핀지지대의높이가증가하면서방전핀이없는면적, 즉전기장만인가하는영역이방전핀개수가줄어들어입자제거효율이감소하는것을상쇄한것으로사료된다. 이점또한추후에방전극의전기장형성시뮬레이션분석이필요해보인다. 그림 8(c) 는톱날모양의줄높이변화에따른입경별입자제거효율이다. 입자하전량은전계하전에서는 에, 확산하전에서는 에비례하므로입자의크기가커질수록입자제거효율이증가하는추세로나타난다. -14 kv 인가시톱날모양의줄수가감소하고톱날모양방전핀지지대의높이가 증가함과관계없이입경별입자제거효율이비슷한추세로나타났으며방전핀지지대의높이가 35, 76 mm일때 5 μm 크기이상의입자는 80% 이상의제거효율을보였다. 4. 결론본연구에서는방전극과집진부의고전압판을하나로합친판의형태를한방전극을도입하여와이어형방전극에비해안정적인코로나방전이발생하도록하였고, 한공간에서입자의하전과집진이동시에이루어지는 1단전기집진기의형태를한새로운형태의전기집진기를개발하였다. 또한, 기존의전기집진기의통과유속이 1 m/s인것에비해본연구에서개발한전기집진기의통과유속은 4 m/s로, 일반적인전기집진기에비해 1/4 수준으로크기를축소할수있어기존사업장의한정적인설치공간에보다더쉽게적용할수있을것으로보인다. 방전극의형상은코로나방전을최대한활성화시켜최대의입자제거효율을가질수있도록설계되어야하므로동일한세기의전압을인가한상태에서전기집진기의집진효율과직결된방전극의형상을최적화하고자하였다. 본연구에서개발한방전극의기본형상은톱날모양의줄이가로로 8개있고, 코로나방전이발생되는톱날모양의꼭지점이각줄에교차로위치할수있도록설계되었으며, 방전판의기본형상에서톱날모양의방전핀의가로및세로방향간격, 톱날모양방전핀지지대의높이를변화시켜입자제거효율을비교하였다. 실험결과, -14 kv 인가시방전핀의가로방향간격이 72 mm까지, 방전핀의세로방향간격이 54 mm 까지증가하여도약 60% 의 PM10 제거효율을유지하였다. 두경우모두방전극의기본형상에서톱날모양방전핀의개수가감소하도록설계되었고, 이때톱날모양의방전핀이일정개수이상일경우코로나방전전류가일정하기때문에입자하전량도유사한것으로판단된다. 다만, 방전핀지지대의높이변화의경우뚜렷한경향을보이지않았다. 이는톱날모양의줄수와방전핀의개수가감소하였으나톱날모양방전핀지지대의높이가증가하면서방전핀이없는면적, 즉전기장만인가하는영역이 Part. Aerosol Res. Vol. 14, No. 4(2018)
132 김진선 김학준 한방우 우창규 김용진 이상린 문상철 방전핀개수가줄어들어입자제거효율이감소하는것을상쇄한것으로사료된다. 이부분은추후에방전극의전기장형성시뮬레이션분석이필요해보인다. 본연구에서는평판형전기집진기의입자제거효율은톱날모양방전핀의가로및세로방향간격과톱날모양방전핀지지대의높이가일정수준이하일때유지됨을확인하였다. 이들은방전극형상에있어서중요한설계인자로사료되므로전기집진기를다채널로설계할경우방전극의무게와가공비용등을고려할때, 적절한수준에서톱날모양의방전핀가로및세로방향간격과방전핀지지대의높이를선정해야한다. 감사의글본연구는산업부의청정화력발전기술개발사업 (NE6210) 및한국기계연구원의주요사업핵심과제 (NK212E) 의지원을받아수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 Azzopardi, B.J., Hughes, J.P., James, P.W., and Wang, W. (2003). The role of drainage channels in the performance of wave-plate mist eliminators, Chemical Engineering Research and Design, 81, 639-648. Banitabaei, S.A., Rafee, R., and Rahimzadaeh. H. (2012). Determination of minimum pressure drop at different plate spacings and air velocity in a wave-plate mist eliminator, Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering, 7, 590-597. Castanas, E., and Kampa, M. (2008). Human health effects of air pollution, Journal of Environmental Pollution, 151, 362-367. Cho, M.H., Fang, G.C., Huang, C.Y., Tsai, K.H., Xiao, Y.F., and Zhuang, Y.J. (2018). Review of total suspended particles (TSP) and PM2.5 concentration variations in Asia during the years of 1998-2015, Journal of Environmental Geochemistry and Health, 40(3), 1127-1144. Choi, W., and Kim, J.J. (2018). Characteristics of Ultrafine Particles in Urban Areas Observed Worldwide and in Korea: Sources and Emissions, Spatial and Temporal Distributions, and Health Effects, Atmosphere, 28(3), 337-355. Czech, T., Jaworek, A., Krupa, A., Marchewicz, A., and Sobczyk, A.T. (2018). Two-stage electrostatic precipitators for the reduction of PM2.5 particle emission, Journal of Progress in Energy and Combustion Science, 67, 206-233. Guerra, V.G., and Oliveira, A.E. (2018). Influence of particle concentration and residence time on the efficiency of nanoparticulate collection by electrostatic precipitation, Journal of Electrostatics, 96, 1-9. Hamedi Estakhrsar, M.H., and Rafee, R. (2016). Effects of wavelength and number of bends on the performance of zigzag demisters with drainage channels, Applied Mathematical Modelling, 40, 685-699. James, P.W., and Wang, Y. (1998). The calculation of wave-plate demister efficiencies using numerical simulation of the flow field and droplet motion, Chemical Engineering Research and Design, 76(8), 980-985. Jiang, J., Liu, Y., Xu, M., Yao, H., Yu, D., and Yu, X. (2017). Experimental and numerical evaluation of the performance of a novel compound demister, Desalination, 409, 115-127. Jo, Y.M., and Park, H. (2013). Regulation Standard of Fine Particles and Control Techniques of Emission Sources, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 29(4), 486-503. Kulasekharan, N., Iniyan, S., and Venkatesan, G. (2013). Influence of turbulence models on the performance prediction of flow through curved vane demisters, Desalination, 329, 19-28. Melaaen, M.C., and JØsang, A.I. (2002). Fluid flow simulations of a vane separator, Modeling, Identification and Control, 23(1), 5-26. Particle and Aerosol Research 제 14 권제 4 호
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