Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol Res. Vol. 9, No. 2: June 2013 pp. 79-87 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2013.9.2.079
도시철도 지하터널용 전기집진기 개발을 위한 집진극 형상에 대한 기초연구
구태용1)⋅김용민2)⋅홍정희2)⋅황정호1),3)*
1)연세대학교 청정공학협동과정, 2)KC 코트렐(주) 기술연구소, 3)연세대학교 기계공학과 (2013년 6월 5일 투고, 2013년 6월 12일 수정, 2013년 6월 17일 게재확정)
A Study on Collecting Electrode Design for Developing Electrostatic Precipitator(ESP) of Urban Railway Underground Tunnels
Tae Yong Koo1), Yong Min Kim2), Jung Hee Hong2), Jungho Hwang1),3)*
1)Graduate Program in Clean Technology, Yonsei University
2)R & D Department, KC Cottrell Co., Ltd.
3)Department of Mechanical Engineering, Yonsei University (Received 5 June 2013; Revised 12 June 2013; Accepted 17 June 2013)
Abstract
In this study, the characteristics of turbulent flow and collection efficiency for an one-stage electrostatic precipitator(ESP) with slit type collecting electrode for urban railway underground tunnels were obtained using computational fluid dynamics(CFD) commercial code FLUENT 6.3 and lab-scale experiments. The electrostatic precipitator was operated under high gas velocity(3~12m/s). Five different designs of collecting electrode, flat plate-type and a slit-type of 3mm, 5mm, 7mm and 10mm slit width and four various gas velocity(3, 6, 9, and 12m/s) were used and applied. A standard k-ℇ model in CFD commercial code FLUENT 6.3 was used for flow simulation.
The flow simulation results showed that the turbulent intensity of flat plate-type was higher than slit-type under all gas velocity conditions and also the turbulent intensity of flat plate-type was increased continuously, but in case of slit-type was maintained at constant range. And, the turbulent intensity was decreased according to increasing of slit width. The experimental results showed that the collection efficiency of slit-type was higher than flat plate-type under all gas velocity conditions. And, over 6m/s gas velocity condition, the collection efficiency of 5mm and 7mm was highest, when compared to 3mm and 10mm.
Keywords：Underground railway tunnel, Electrostatic precipitator(ESP), Collection efficiency, Collecting electrode, Slit
* Corresponding author.
Tel：+82-2-2123-2821, E-mail：[email protected]
1. 서 론
서울시 인구 증가에 따른 근본적인 교통난 해결 책으로 1974년 개통된 지하철은 1호선을 시작으로 2009년 9호선 개통까지 2013년 현재 전체 9개 노선 으로 확대되어 운영되어지고 있다. 지하철 노선 확 대에 따른 이용자수는 지속적으로 증가하여, 하루 평균(2012년 12월 통계 기준) 약 700만 명이 이용, 교통수단별 수송 분담률 약 35%를 차지하며, 버스 (약 27%), 승용차(약 26%) 보다 높은 것으로 조사되 었다(Seoul Metropolitan Rapid Transit Corporation, 2013). 또한, 지하철은 이용자의 증가와 함께 주변의 지하상가와 더불어 역세권을 형성하여 주요 교통수 단으로 뿐만 아니라 서울시민의 주요한 생활공간으 로 자리 잡고 있다. 그러나 지하역사는 실외와 달리 공간적 밀폐성 및 많은 유동인구로 인하여 공기질 악화문제에 직면해 있으며, 특히 PM10(Particle Matter, 10㎛ 이하 미세먼지 총량)은 지하역사의 가 장 심각한 오염물질로 조사된 바 있다(Lee et al, 2010).
지속적인 경제성장 및 소득수준의 증가에 따른 삶의 질과 건강에 관한 관심이 꾸준히 증가함에 따 라 지하철 이용객 및 종사자의 건강위협에 대한 불 만이 지속적으로 제기되고 공기질 개선을 촉구하는 사회적 요구가 나날이 증대되고 있다. 이에 환경부 에서는 2004년 5월 “다중이용시설 등의 실내공기질 관리법”을 시행하였고, 2007년 7월 “지하철역 공기 질 개선대책” 을 마련하였다(Kim et al, 2009).
이에 효율적인 공기질 개선 및 관리를 위해 역사 환기시설 개선, 궤도 콘크리트 도상 개량, 승강장 스 크린 도어(Platform Screen Door, PSD) 설치, 살수차 운영, 먼지 흡입차 운영 등 다양한 방안이 시도되고 있으나 공기질 측면에서의 개선 효과는 그리 높지 않은 것으로 나타났다(Kim et al, 2003). PSD 설치로 승강장의 오염도는 다소 감소하였지만, 본선터널과 승강장의 단절로 인하여 터널 내부의 미세먼지 농 도는 지속적으로 증가하여 터널 내 공기를 이용해 공조하는 도시철도 차량 내부의 오염이 심각해 질 것으로 예상된다. 또한 도시철도 차량 운행에 따른 열차 풍에 의해 터널 내 높은 농도의 미세먼지가 승 강장으로 확산되고, 승강장의 미세먼지 중 일부가 대합실로 확산되는 것으로 조사되었다(Park et al,
2010). 따라서 도시철도 차량 및 승강장의 공기질 개 선을 위해서는 도시철도 터널로부터 유입되는 먼지 의 원천 차단이 가능한 방지설비 설치가 반드시 필 요하다.
미세먼지 제거 장치로는 전기집진기(Electrostatic precipitator, ESP)가 대표적이다. 전기집진기는 설치 비용이 많이 들고 비저항(resistivity) 이 큰 입자는 제거하기가 힘든 단점을 가지고 있으나 저 동력으 로 많은 유량을 처리할 수 있고 특히 작은 입자에 대한 상대적 집진효율이 높기 때문에 산업 및 공기 정화 장치로 널리 사용되어지고 있다. 전기집진기는 크게 하전부와 집진부가 동일한 공간 내에 위치하 는 1단식(one-stage)과 하전부와 집진부가 별도 공간 내에 위치하는 2단식(two-stage)으로 분류된다. 1단 식 전기집진기는 주로 발전소, 제철소 등에서 발생 하는 배기가스를 처리하는데 사용되어지며 2단식은 용접 흄(fume) 및 오일 미스트(oil mist) 등의 처리와 일반 공조용으로 많이 사용된다(Park and Park, 2000). 일반적으로 널리 이용되어 지고 있는 산업용 및 공조용 전기집진기의 집진부 유속은 대부분 약 1m/s 정도로 설계, 운전되어진다. 그 이유는 집진기 에 인가되는 전기장의 크기가 일정한 경우, 집진부 의 유속증가는 집진효율의 급격한 감소를 수반하기 때문이다(Roh et al, 2004). 이에 현재까지 전기집진 기에 대한 대부분의 연구들은 전기장 내에서 하전 입자의 운동, 분진의 습도와 온도에 따른 집진 특성 그리고 처리 대상 분진의 입도 분포, 비저항, 가스온 도, 수분 함량, 인가전압등 집진효율에 미치는 변수 의 영향들에 대한 연구에 집중되어 왔으며 집진부 유속 증가에 대한 연구 결과는 미미하다.
최근 들어 전기집진기의 활용 증가에 따라 고유 속 전기집진기에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 Miyake et al.(2006)은 수치해석을 통해 spike-edged 방전극에 대한 공간전류를 계산하였고 13m/s 유속 에서 집진효율 80%를 가진 2단식 전기 집진시스템 을 개발하였다. Arao et al.(2006)은 9 ~ 13m/s 고유속 에서 운전되어지는 2단식 도로 터널용 전기집진기 의 방전극 형상에 따른 하전 특성 및 집진효율 변화 를 평가하였고, Yasumoto et al.(2008)은 유속 7m/s 조건에서 2단식 도로 터널용 전기집진기의 방전극 타공(hole-punched) 유무 및 직류 및 교류 인가 전압 에 따른 집진효율을 비교평가 하였다. Kim et
Fig. 1 Structure of one stage electrostatic precipitator.
al.(2009) 은 도로터널용 전기 집진기 개발을 위한 방전극 설계에 대한 실험적 연구를 수행하였으며, 또한 7.7m/s 유속에서 집진효율 약 90%를 가진 1단 식 도로터널용 전기 집진시스템을 개발하였다(Kim and Weon, 2008).
그러나 상기 연구들은 모두 방전극 형상 및 하전 방식에 따른 방전특성 및 집진효율 비교 평가 등에 집중되었다. 이에 본 연구에서는 위에서 소개한 기 존 연구와는 달리 집진극 형상(slit 유무 및 slit 폭)에 따른 전기집진기내 유동 특성 변화 및 집진효율에 미치는 영향을 파악하기 위해 유동장 수치해석 및 실험을 수행하였다.
2. 연구 방법
2.1 수치해석
전기집진기 집진극의 slit 유무 및 slit 폭에 따른 집진기 내부 유동 특성 변화를 확인하기 위하여 수 치해석을 수행하였다.
난류가 집진과정을 방해하는 요소임은 여러 연구 에서 밝혀졌으며 특히 Feldman(1977) 은 난류에 의 해 입자들이 고농도 영역에서 저농도 영역으로 이 동하는 혼합효과(난류확산)가 집진효율을 저하시킨 다고 하였고, Cooperman(1984)은 전기집진기 내에서 작용하는 기본적인 작용력들을 모두 포함하는 물질 수지식을 이용한 집진기의 부분분리 효율에 관한 총괄적인 이론식 정립을 통해 집진효율 예측 시 난 류효과가 반드시 고려되어야 함을 보고한 바 있다.
본 연구에서 대상으로 하는 해석 모델은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 평판의 톱날형 방전극과 집진극 이 설치된 직사각형 형태를 가지는 1단식 전기집진 기 내 난류유동이며 해석 구간은 Fig. 2와 같이 방전 극과 집진극이 설치된 집진구간 전체를 대상으로 한 2차원 모델을 이용하였으며 여기서 길이(L), 폭 (d), 극간 간격((h), 방전극 Edge 간 거리(w1,) 은 고정 된 값이며 slit 이 있는 경우에만 slit 폭(w2,)을 변경 하면서 계산을 수행하였다. 해석에 사용된 코드는 상용 프로그램인 FLUENT 6.3 이며 적용 모델은 난 류 유동해석에서 널리 이용되어지는 Standard k-ɛ 모 델을 사용하였으며 난류운동에너지와 난류소산율에 관한 식은 아래와 같다(Launder and Spalding, 1974).
(1)
(2)
여기서, G는 난류운동에너지 생성율, 는
로 표현되어지는 유효점성계수이며, 상 수는 , , , ,
이다.
벽면에 대한 경계조건은 비활조건(no-slip condition)을, 벽면에 가장 가까운 격자에 대해서는 벽함수(standard wall function)을 적용하였다.
초기 난류강도(turbulence intensity, %) 값은 아래 식 을 이용하여 계산하였다.
′
(3)
여기서, 는 평균속도를 ′ 는 파동속도를 나 타낸다.
수치해석은 4가지 유속(3, 6, 9, 12m/s)에 대해서 Slit 이 없는 평판의 경우와 집진극의 수직 방향으로 3, 5, 7, 10mm의 Slit 이 있는 4가지를 포함하여 총 5 가지 경우에 대해 수치해석을 수행하였다.
Fig. 3은 각 유속조건에서 전기집진기의 입구에서 부터 출구까지의 난류강도 값의 변화를 보여주고 있다.
모든 유속(3, 6, 9, 12m/s)에서 전기집진기 입구로 부터 약 100mm 지점까지는 동일하게 난류강도 값 이 증가하는 것으로 나타났으며 이후부터는 Slit 이
Fig. 2 Domain of the numerical calculation.
(a) At 3m/s (b) At 6m/s
(c) At 9m/s (d) At 12m/s
Fig. 3 Turbulence intensity at each velocity(3, 6, 9, 12m/s).
없는 집진극의 경우는 난류강도 값이 지속적으로 증가하는 경향을 보였으나 Slit 이 있는 집진극의 경 우 난류강도 값이 계속 증가하지 않고 일정한 범위 내의 값을 유지하는 것으로 나타났다. 유속 3m/s 의 경우 Slit 폭에 따른 난류강도 값은 차이가 없는 것 으로 나타났다. 그러나 유속 6m/s 이상에서는 Slit 폭 에 따른 난류강도 값의 차이를 보이는 것으로 나타 났으며 Slit 폭이 커짐에 따라 난류강도 값이 작아지 는 것으로 나타났다.
유속이 빨라질수록 Slit 유무에 의한 난류강도 값 의 차이는 더 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 Slit 폭에 따른 난류강도 값의 차또한 더 뚜렷하게 나타 남을 확인할 수 있었다. 이는 집진판 Slit 형성으로
Fig. 5 Electrostatic precipitator.
Fig. 4 Schematic diagram of the experimental apparatus.
인한 벽면 전단응력(레이놀즈응력 또는 난류전단응 력) 감소에 의한 난류효과 감소로 보여진다.
′
′
(4)
여기서, 는 난류전단응력, 는 난류확산 계수이다.
수치해석 결과 집진극 Slit 형성이 전기집진기내 난류효과 감소에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2.2 실험
2.2.1 실험장치 구성
집진효율 평가를 위한 실험 장치는 Fig. 4와 같이 Fan 이 설치된 크기 230(W) × 300(H) × 3,500(L)㎜
의 풍동, 분진공급장치, 전기집진장치, 입자측정장 치, 고전압인가장치, Data 측정장치로 구성되었다.
전기집진장치는 Fig. 5, 6에서 보여주는 바와 같이 3 장의 톱날형 방전극(Discharge Electrode, DE)과 4장 의 집진극(Collecting Electrode, CE)으로 구성되었다.
집진부의 크기는 120(W) × 295(H) × 410(L)㎜이고, 총 6레인으로 구성되어 있으며, 방전극과 집진극의 극간 간격은 20㎜ 이다. 4장의 집진극 중 2열과 3열 에 위치한 집진극은 Fig. 6에서 보여주는 바와 같이 Slit 이 없는 경우와 집진극의 수직 방향으로 3, 5, 7, 10㎜ 폭의 Slit 이 있는 4가지 경우를 포함하여 총
5가지 형상의 집진극을 교체하면서 실험을 진행하 였다. 고전압 발생기(high voltage power supply) 는 전압 -30kV, 전류 -10mA까지 발생이 가능한 장치로 하전부에 연결하여 사용 하였다.
2.2 실험 방법
본 연구는 도시철도 지하터널용 전기집진기 개발 을 위한 내부 비정상 유동의 특성에 가장 적합한 집
(a) Saw edged discharge electrode
(b) Flat plate type collecting electrode
(c) Slit type collecting electrode
Fig. 6 Design of discharge and collecting electrode.
Particle Size(μm) %
1 2 4 6 8
65±3 50±5 22±3 8±3 3±3 Table 1. Size distribution of JIS test powder 1.(Class 11)
Chemical Composition %
SiO2
Fe2O3
Al2O3
CaO MgO
34 ~ 40 17 ~ 23 26 ~ 32 0 ~ 3 0 ~ 7 Table 2. Chemical composition of JIS test powder 1.(Class 11)
진극 형상 도출을 위함이다. 따라서 본 실험에 사용 된 유속 조건은 Han et al.(2010) 등이 조사한 미아삼 거리-길음역 도시철도 터널 내의 열차풍 측정 결과 를 참고하였다.
유속별(3, 6, 9, 12m/s) 실험 진행을 위해 인버터를 이용하여 팬(최대유량 100CMM, 정압 200mmH2O) 의 회전수 변화에 따라 유속을 조절하였다. 분진공 급장치(TOPAS 사, Model SAG 410)를 통해 깨끗한 공기와 함께 분진(JIS Test Powder 1, Class 11)을 풍 동으로 유입시켰으며, 유동 균일화를 위해 전기집진 기 전단에 다공판(Perforated plate)을 설치하였다.
본 실험에서 사용된 분진(JIS Test Powder 1, Class
11) 의 입경분포 및 화학 성분은 Table 1, 2와 같다.
전기집진기에는 고전압 인가장치(KSC 사, Model C180)를 이용하여 직류전압 -15kV를 인가하였다.
전기집진기 전, 후단에 입자 수농도 측정 장치 (Grimm 사, Model 1.109) 를 설치하여 전, 후단에서 의 분진 입경별 수농도를 측정하였으며 집진효율은 다음 식을 통해 구할 수 있다.
× (5)
여기서, 와 는 각각 전기집진기 전, 후단에 서의 분진 수농도를 나타낸다.
Fig. 7 Voltage-Current(V-I) curve.
3. 결과 및 고찰
3.1 전압-전류 특성
본 연구에서 사용된 집진극의 Slit 유무 및 간격에 따른 전기적인 특성을 확인하기 위하여 인가전압과 코로나 전류와의 관계를 Fig. 7에 나타내었다.
Fig. 7에서 보여주듯이 코로나 개시 전압 및 인가 전압 증가에 따른 코로나 전류 값은 Slit 유무 및 간 격에 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 전류 와 전압의 특성을 나타내는 관계식은 아래와 같다 (Meng et al. 2008).
(6)
여기서, V0 는 코로나 개시전압이며, C는 상수이다.
3.2 집진효율 특성
집진극 Slit 유무 및 폭에 따라 집진효율 특성이 어떻게 변하는지를 관찰하기 위하여 각 유속(3, 6, 9, 12m/s)에 따른 입경별 수농도를 측정하여 집진 효율 을 계산하였다. Fig. 8은 각 유속에 따른 집진효율을 보여주며, 전기집진기내 유속이 증가함에 따라 집진 효율이 전체적으로 낮아짐을 확인 할 수가 있었다.
3m/s 유속의 경우 집진극 slit 유무에 따른 집진효 율의 차이를 보였으며 slit이 있는 경우가 slit이 없는 경우보다 다소 높은 것으로 나타났다. 그러나 입경 약 1㎛ 이상의 영역에서의 집진효율은 slit 유무에 관계없이 동일함을 보였다. 또한, slit 폭에 따른 집
진효율의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 유속 6m/s 의 경우 3m/s의 경우와 같이 slit 유무에 따른 집진효율의 차이는 동일하게 나타난 반면 slit 폭에 따른 집진효율에 차이를 보이는 것으로 나타났다.
Slit 폭이 커짐에 따라 집진효율도 높아지는 것으로 나타났으나 slit 폭이 3, 10㎜인 경우 5, 7㎜ slit 의 경우 보다 낮아짐을 확인할 수가 있었다. 그 이유는 난류효과와 집진면적의 상관관계에 의한 것으로 판 단된다. 집진효율에 대한 난류 효과와 집진면적의 상관관계는 Deutsch 식을 수정한 형태로 아래와 같 다(Cooperman, 1984).
exp
(7)
여기서, f 는 기체흐름으로부터 경계층에 건너간 입자들 중에서 난류에 의해 기체흐름 속으로 재비 산된 분율, A 는 집진면적이다.
유속 9, 12m/s 의 경우에도 유속 6m/s 의 경우와 같이 5, 7㎜ Slit 을 가진 집진극의 집진효율이 가장 높은 것으로 나타났으며 특히 입경 약 2.5㎛ 이하에 서 Slit 폭에 따른 집진 효율 차이를 뚜렷이 확인 할 수 있었다.
모든 유속 조건에서 slit이 형성된 집진극의 집진 효율이 slit 이 형성되지 않은 경우보다 높게 나타났 으며 특히 입경이 작고 유속이 빨라질수록 집진효 율의 차이는 더 커짐을 확인할 수 있었다. 그 이유 는 입경이 작을수록 전기장의 영향보다는 유동의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 고속기류용 도시철도 지하터널용 전기 집진기의 집진극 Slit이 집진효율에 미치는 영향을 파악하기 위한 기초 연구로 다음과 같은 결론을 얻 었다.
(1) 집진극 Slit 형성이 전기집진기내 난류효과를 감소시키는 것으로 판단된다.
(2) 집진극 Slit 형성이 모든 유속 조건(3, 6, 9, 12m/s)에서 집진효율 향상에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
(3) 유속이 빨라지고 입경이 작아질수록 집진극
(a) at 3m/s (b) at 6m/s
(c) at 9m/s (d) at 12m/s
Fig. 8 Collection efficiency at each velocity(3, 6, 9, 12m/s).
Slit 유무 및 폭이 집진효율에 미치는 영향은 더 크다.
(4) 도시철도 지하터널용 전기집진기의 집진효율 극대화를 위해 5~7㎜ 의 Slit 이 형성된 집진 극 사용이 가장 적합할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 미래도시철도기술개발사업 의 지원으로 수행되었습니다.
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