서 론
광산 선광장설비는 광산에서 채굴한 광석을 파쇄, 선 별, 이송, 분쇄 과정에 필요한 것이다. 이러한 설비는 실 내 작업장에 설치된 경우도 있고 대기에 노출된 상태로 가동되는 경우도 상당하다. 또한 작업 중 발생하는 분진 은 작업자의 작업환경, 설비의 노후화, 지역주민의 생활
환경에 막대한 피해를 발생하고 있어 먼지날림방지설비 의 개발이 시급한 실정이다.
석회석 광산 선광장설비에서 발생하는 분진을 포집하 기 위해 캐노피형 후드가 채용된 국소배기시스템이 일반 적으로 많이 사용된다.
광산 선광장설비에서 발생하는 분진과 국소배기시스 템에 대한 관련규정은 산업안전보건법 노동부고시, 노동 부작업환경기준 그리고 광산보안법시행규칙 등을 참조 할 수 있지만, 대상 업체가 영세하고 이에 대해 무관심하 며 초기에 설치한 국소배기시스템의 유지관리가 제대로 되지 못하고 있다. 또한 선광장설비의 배치와 용량크기 에 따라 국소배기시스템이 판이하게 달라지므로 국소배 기시스템의 표준화와 관련 기술개발이 시급한 실정이다.
이와 관련된 국내 연구는 일반 산업체 작업공정에서 발생하는 유해가스와 미세분진을 효율적으로 포집하기
모형실험과 수치해석을 통한 석회석 분진의 국소배기 특성
이승철1)· 옥윤용2)* · 유성곤3)
Local Exhaust Ventilation Characteristics of Limestone Dust by Model Experiments and Numerical Simulation
Seung-Chul Lee, Yun-Yong Ok* and Sung-Gon Yoo
Abstract : In this study, experiments were carried out about the performance of dust-collecting hood by a model device. The target is canopy hood collecting dust at a turning point of the conveyor belt to move limestone in a local exhaust system. With three variables of control distance, control ventilation velocity and rubber curtains status, experiments were carried out about dust collection characteristics and flow properties. As a result, the most important variable of the dust collection efficiency in the local exhaust system is the presence of the rubber curtain. When confirming the collected dust size in 0.5 m/s(control ventilation velocity) and 0.3 m(control distance), many particles over 20 ㎛ were collected because control distance is short. They will drop the whole work efficiency. Three-dimensional numerical simulation was carried out under the same conditions with experiments.
The flow characteristics between the simulation and the experiments were similar overall.
Key words : Local exhaust ventilation, Limestone dust, Computational fluid dynamics
요 약 : 본 연구에서는 석회석을 이동시키는 벨트컨베이어 전환점에서 발생되는 분진을 포집하기 위해 캐노피 후드를 설치한 국소배기 시스템을 대상으로 모형장치를 제작하여 후드 포집성능 실험을 수행하였다. 3가지 변수 인 제어거리, 제어풍속 및 고무커튼의 유･무를 변화시키며 포집특성과 유동특성실험을 수행하였다. 실험결과로 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 것은 고무 커튼의 사용유무인 것으로 나타났다. 포집된 입자크기 확인 결과, 제어속도 0.5 m/s이고 제어거리 0.3 m일 때, 짧은 제어거리로 인해 20 ㎛ 이상의 입자가 상당수 포집되었고 이것은 전체적인 작업효율을 떨어뜨리게 된다. 실험과 동일조건에서 3차원 수치해석을 수행 하였으며 그 결과 전반적으로 유동특성이 유사하였다.
주요어 : 국소배기, 석회석 분진, 전산유체역학
2013년 2월 19일 접수, 2013년 10월 9일 심사완료 2013년 10월 17일 게재확정
1) 강원대학교 소방방재공학전공
2) ㈜티에스엔지니어링 3) 한국광해관리공단
*Corresponding Author(옥윤용) E-mail; [email protected]
Address; TS Engineering co., Ltd., Taebaek, Kangwon, Korea
ISSN 2288-2790(online) http://dx.doi.org/10.32390/ksmer.2013.50.5.660
연구논문
모형실험과 수치해석을 통한 석회석 분진의 국소배기 특성 661
위해 환기시스템의 최적화에 대한 내용들(Lee et al., 2009;
Kim and Oh, 2008; Yi et al., 2007)이 대부분이고, 석회 석 광산의 경우 노천채광장 및 지하광산 갱내의 비산분 진특성에 관한 연구(Kim et al., 2012; Lee et al., 1999) 는 보고된 바 있으며, 광산 선광장설비에서 발생되는 비 산분진에 대한 연구는 미미하다.
따라서 본 연구에서는 석회석 광산 선광장설비와 국소 배기시스템의 일부를 모형화하여 포집특성과 유동특성 실험을 수행하였으며 동일조건에서 수치해석을 수행하 여 그 결과를 비교･검토하였다.
모형실험
모형실험 분석대상은 파쇄된 석회석을 이동시키는 벨 트컨베이어 전환점과 여기에서 발생되는 분진을 포집하 기 위해 캐노피후드를 채용한 국소배기시스템을 대상으 로 하였으며, 실제 광산선광장 개략도를 나타낸 Fig. 1의 H12에 해당한다.(MIRECO, 2009)
모형실험장치 제작을 위한 상사는 공기유동을 기반으 로 한 Re 수(∙)에 기초하였으며, 이에 따른 실 물 및 모형의 주요제원은 Table 1과 같다. 후드 포집성 능 실험은 실제 광산 선광장의 상황과 유사하게 벨트컨 베이어 전환점에서 발생하는 분진을 제어거리와 제어풍 속 고무커튼의 유무를 변화시키면서 후드의 배기효율을 측정하였다.
실험장치
Fig. 2에는 후드 포집성능 시험을 위한 모형실험장치 를 나타내었다. 후드 포집성능 실험 장치는 일반적인 국 소배기시스템과 유사하게 구성되며 크게 벨트컨베이어 를 통해 시료를 공급하는 시료 공급부, 비산먼지의 확산 을 막아주는 챔버와 비산먼지를 포집하여 여과하여 주는 배기부 그리고 비산먼지의 이동특성을 촬영하는 측정부 로 나눌 수 있다.치수를 포함한 실험장치의 개략도를 Fig. 3에 나타내었다. 그림에서 점선 화살표는 시료공급 부에 시료가 공급되어 벨트컨베이어를 통해 이송되고 챔 버 입구를 지나 아래로 낙하하게 된다. 이때 미세분진은 후드와 덕트를 통해 포집되고 나머지 분진은 챔버 아래 로 낙하되어 쌓이게 되는 과정을 표시한 것이다.
실험장치에서 후드의 단면은 600 mm × 600 mm이며 수직 덕트와 수평 덕트의 길이는 550 mm와 1,900 mm 이다. 벨트컨베이어는 챔버 내부로 284 mm 들어와 있고 챔버바닥에서 벨트컨베이어까지 높이는 250 mm이다.
제어거리, Lc는 챔버바닥에서 후드 입구면까지의 거리를 의미하며, 제어속도는 후드입구면에서의 평균속도를 의 미한다.
H1
H2 H3 H4
H5
H6
H7 H8
H10H12 H11
Fig. 1. Schematics of real local exhaust system.
Table 1. Local exhaust equipment data
Items Real equipment Model Hood size 750 mm × 500 mm 600 mm × 600 mm
Duct diameter 125 mm 100 mm
Air velocity in duct 16 m/s 18 m/s
chamber
supply particle filter
fan
light source
duct
hood rubber curtain
belt conveyer
video camera
Fig. 2. Experimental apparatus.
Fig. 3. Experimental schematics with dimensions.
본 실험에서 사용된 송풍기는 축류형 송풍기로서 최대 풍량과 전압은 각각 2,400 m3/h, 87 mmAq이며, 회전수 는 5,100 rpm이다.
실험종류 및 방법
본 실험은 제어거리, 제어풍속 그리고 고무커튼의 유･
무에 따라 변화시키며 모두 10가지 실험을 수행하였다.
실험은 제어거리(0.3 m, 0.5 m, 0.7 m), 제어풍속 (0.5 m/s, 0.7 m/s)을 변화시키며 수행하였다. 실제 광산 선광 장의 밸트컨베이어 속도는 약 1.0～1.5 m/s이나 실험장 치의 여건 상 0.17 m/s로 고정하였다. 상세한 실험종류 는 Table 2에 나타내었다.
실험에서 사용된 광종은 석회석이며, 비중은 2.7∼2.8 정도이다. 사용된 석회석 입자는 실제 광산작업장의 집 진기에 포집된 입자를 사용하였으며 직경은 0.5∼80 ㎛ 에 해당된다.
후드 포집성능 측정실험은 다음의 순서에 의거하여 수 행된다.
1. 실험실 내부의 온도와 습도를 측정한다.
2. 시료 2,000 g을 시료공급장치에 투입한다.
3. 송풍기를 작동시켜 적정제어 풍속을 유지하도록 한다.
4. 밸트컨베이어 속도를 최대(0.17 m/s)로 작동시킨다.
5. 초당 약 2.5∼3.0 g의 시료를 투입하면서 비디오카메 라와 STOP-WATCH 농도측정기를 작동시킨다.
6. 시료투입이 완료되면, 시료투입 시간을 측정하고 송 풍기, 밸트컨베이어, 전동모터, 비디오카메라의 작동 을 멈춘다.
7. 후드바닥부의 시료를 채취하여 질량을 측정한다.
8. 무게 측정 후 입도분석용 샘플을 채취한다.
9. 구동되는 밸트 하부에서 떨어진 바닥부 시료를 채취
하고 질량을 측정하여 실제공급량을 산정한다.
실험결과
본 실험은 24∼27℃의 실험실 온도와 51∼55%의 상 대습도 환경에서 수행되었다. Fig. 4에는 10가지 실험의 결과인 포집효율을 나타내었다. 포집효율은 고무커튼을 사용하고 제어거리(Lc)가 짧을수록 그리고 제어풍속(Vc) 가 클수록 높아짐을 알 수 있다.
국소배기시스템의 포집효율, 는 다음의 식을 사용하 였다.
× (1)
여기에서 과 는 각각 실제 투입한 시료량과 포집된 시료량을 의미한다.
Table 2. Experimental cases
Case Rubber curtain Lc [m] Vc [m/s]
1 ○ 0.7
0.5
2 ○ 0.5
3 × 0.7
4 × 0.5
5 ○ 0.3
6 ○ 0.7
0.7
7 ○ 0.5
8 × 0.7
9 × 0.5
10 ○ 0.3
Fig. 4. Collection efficiency.
Table 3. Collection efficiency
case Min[g] Mco[g] η[%]
1 1966.3 56.9 2.9
2 1991.8 88.8 4.5
3 1950.6 15.5 0.8
4 1977.1 23.1 1.2
5 1991.7 187.5 9.4
6 1988.3 94.1 4.7
7 1986.9 167.3 8.4
8 1951.7 17.2 0.9
9 1991.6 21.5 1.1
10 1980.2 482.8 24.4
모형실험과 수치해석을 통한 석회석 분진의 국소배기 특성 663 상세한 결과 비교를 위해 Table 3에 실험종류별 실제
투입시료량, 포집량 그리고 포집효율을 나타내었다. 고 무커튼이 없고 제어거리와 제어속도가 각각 0.7 m과 0.5 m/s인 case 3이 0.8%의 가장 낮은 포집효율을 보였다.
또한 고무커튼이 사용되고 제어거리와 제어속도가 각각 0.3 m과 0.7 m/s인 case 10이 24.4%의 가장 높은 포집 효율을 보였다. 본 실험의 포집효율 결과들을 살펴보면 실험의 3가지 변수(고무커튼, 제어거리, 제어속도) 중 국 소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 변수 는 고무 커튼의 사용유무이며, 그 다음이 제어거리, 제어 속도 순이다.
고무커튼의 사용유무는 챔버로 유입되는 곳의 단면적을 변화시킴에 따라서 공기의 유속을 증가시키기 때문이다.
광산 선광장에서 국소배기시스템의 포집효율도 중요 하지만 챔버에서 발생한 비산분진이 챔버외부로 유출되 지 말아야하며, 또한 주위 공기와 함께 분산하지 않고 지 면으로 침강하는 약 20 ㎛ 이상의 입자가 포집된다면 오 히려 전체 작업의 효율을 떨어뜨리게 된다(Jeong et al., 2011; MIRECO, 2009). 따라서 이러한 부분을 확인하기 위하여 제어속도가 0.5 m/s이고 고무커튼이 사용된 case 1, 2, 5에 대해 포집된 입자의 확대사진을 Fig. 5에 나타
내었다. 그림에서 보이는 바와 같이 case 1은 전체적으 로 20 ㎛ 이하의 입자가 포집된 결과를 알 수 있으며, case 2는 간혹 20 ㎛보다 큰 입자가 보이지만 대부분 20
㎛ 이하의 입자가 포집된 결과를 보인다. 하지만 case 5 는 20 ㎛ 크기의 입자도 보이지만 상당수 40 ㎛ 정도의 입자가 포집된 것을 알 수 있다. 이것은 석회석 선광장에 서 국소배기시스템의 포집효율도 중요하지만 필요 이상 의 큰 입자(20 ㎛ 이상)가 포집된다면 전체적 작업효율 을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 석회석 선광장에서 국소배 기시스템의 용량 산정 시, 포집입자의 크기를 기준으로 하여야 한다고 판단된다. case 1, 2, 5에 대한 유동특성 결과는 다음절에서 다루기로 한다.
수치해석
대상모델
본 연구에서는 앞서 설명한 실험에서 고무커튼이 사용 되고 제어속도가 0.5 m/s인 case 1, 2, 5에 대해 전산유 체역학 기법을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 본 수 치해석은 3차원, 정상상태 공기유동만을 해석하였고, Fig. 6에는 본 수치해석의 계산 영역을 나타내었다.
(a) case 1 (b) case 2
(c) case 5
Fig. 5. 500 times enlarged photo of collected dust.
지배방정식 및 경계조건
모형실험장치의 유동특성을 기술하는 정상상태의 지 배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지 방정식 그리고 난류운동에너지소산율방정식이다. 난류 모델은 표준 κ－ε모델(Launder and Spalding, 1974)을 이용하였다.
본 수치해석에서 사용된 경계조건은 Fig. 6의 바닥 (Bottom), 천정(Top) 그리고 출구면(West)은 벽면으로 처 리하여 점착조건(no-slip condition)을 부여하였으며, 모 형실험장치를 둘러싼 나머지 영역(North, South, East)은 압력경계조건으로 대기압조건을 부여하였다. 또한 y-z 단면(West)의 덕트 출구에서는 모형실험에서 유량을 측 정한 후 다음과 같은 균일 속도조건으로 부여하였다.
u = －18.0 m/s at case 1, 2, 5 (2) 수치해석 방법
본 연구에서는 모형실험장치에서의 유동특성을 해석하 기 위하여 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+(Computational Dynamics Ltd., 2008)를 사용하였다. 대류항을 계산하 기 위해서 2차 상류차분법(upwind differencing scheme) 을 사용하였고, 속도장을 얻기 위하여 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)알고리즘(Patankar, 1980)을 사용하였다. 수렴판정 조건으로는 입구에서의 운동량으로 정규화한 각 cell에서의 운동량 유수의 합과 연속방정식에
서 유수의 합이 모두 10-3이하일 때로 정하였다. 계산 격자는 polyhedral mesh로 작성하였으며 챔버, 후드 및 덕트의 벽면부에 밀집시켰고, 격자수는 case 1의 경우 약 45만개가 사용되었다.
결과 및 고찰
Fig. 7에는 실험에서 얻어진 case 1, 2, 5에 대한 분진 입자의 유적선과 수치해석의 속도벡터 결과를 나타내었 다. 실험에서 얻어진 분진입자의 유적선은 비디오카메라 로 촬영한 동영상을 토대로 작성되었으며 챔버와 후드 중앙단면에서의 주유동 경로를 표시한 것이다.
Fig. 6. Computational domain.
(a) case 1
(b) case 2
(c) case 5
Fig. 7. Path lines and velocity vectors.
모형실험과 수치해석을 통한 석회석 분진의 국소배기 특성 665 제어거리가 0.7 m인 case 1의 경우, 벨트컨베이어 아
래로 유입된 공기가 분진과 함께 챔버 좌측으로 상승하 여 후드 중앙부로 포집되어 배출되며 또한 챔버 중상부 에 재순환영역이 발생한다. 실험과 수치해석 결과는 주 유동 경로와 챔버 중앙부에 발생한 재순환영역 등 전반 적으로 유사하지만 챔버 중상부의 재순환영역의 크기가 다소 차이가 있으며 실험에서는 챔버 우측하단부의 재순 환영역은 확인하기 어려웠다.
제어거리가 0.5 m인 case 2의 경우, case 1의 유동특 성과 유사한 패턴을 보인다. 하지만 제어거리가 짧아 유 적선의 방향이 급격히 변화함을 알 수 있었으며 주유동 우측에 작은 재순환영역이 존재함을 알 수 있다. 수치해 석 결과는 주유동패턴은 실험결과와 유사하지만 주유동 우측에 작은 재순환영역은 확인하기 어려웠다.
제어거리가 0.3 m인 case 5의 경우, 짧은 제어거리로 인하여 유적선의 방향이 급격히 변화하며, 챔버와 후드 의 접한 부분, 후드의 코너부분으로 분진이 부딪치며 후 드방향으로 상승하여 배출됨을 알 수 있다. 실험과 수치 해석 결과는 주유동 경로가 서로 일치하는 것을 알 수 있다.
이상의 결과로 미루어 챔버에서의 주유동패턴은 실험 과 수치해석 결과가 일치하지만 국소적인 재순환영역 존 재 유무 및 크기에 대해서는 다소 차이가 있음을 확인하 였다. 향후 수치해석 기법을 좀 더 보완한다면 국소배기 유동특성 해석에 활용될 수 있으리라 판단된다.
결 론
본 연구에서는 석회석 광산 선광장설비와 국소배기시 스템의 일부를 모형화하여 제어거리, 제어풍속, 고무커 튼의 유･무에 따라 변화시키며 모두 10가지 포집특성실 험과 유동특성실험을 수행하였다. 또한 동일조건에서 수 치해석을 수행하여 그 결과를 비교･검토하여 다음과 같 은 결론을 얻었다.
1. 본 실험 결과 case 10이 24.4%의 가장 높은 포집효율 을 보였으며, 실험의 3가지 변수 중 고무 커튼의 사용 유무가 국소배기시스템의 포집효율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2. case 1, 2, 5에 대해 포집된 입자크기 확인 결과, 포집 성능이 우수한 case 5가 입경 40 ㎛의 입자들이 대거 포집된 것을 알 수 있었다. 따라서 제어거리는 0.5 m 이상이 적절한 것으로 판단된다.
3. case 1, 2, 5의 유동특성에 대한 수치해석 결과, 일부 국소부분을 제외한 전반적으로 결과가 유사함으로 향
후 수치해석 기법을 일부 보완하여 국소배기특성을 해석할 수 있으리라 사료된다.
사 사
이 논문은 2012년 한국광해관리공단으로부터 기술개 발사업비를 지원받아 수행된 사업임.
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이 승 철
1996년 3월 한양대학교 대학원 기계공학과 1995년 3월 한미설비(주) 기술연구소 소장공학박사 2001년 3월 Massachusetts Institute of
Technology (MIT) 후기박사 2002년 3월 동해대학교 자동차공학과 교수 현재 강원대학교 소방방재학부 교수
(E-mail; [email protected])
유 성 곤
현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 암반공학연구팀 선임연구원 (本 學會誌 第50券 第1号 參照)
옥 윤 용
2008년 9월 광해방지기술사
2012년 2월 강원대학교 방재전문대학원 광해·지질방재전공 공학석사
현재 (주)티에스엔지니어링 이사 (E-mail; [email protected])
