<12주차>

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5.9.E 전기집진기(electrostatic precipitator)

- 전기적으로 충전된 입자와 반대전기를 띄는 집진극 간의 상호인력에 의해 집진 1910년 F.G. Cottrell에 의해 발명

▶ 입자의 전기적 성질에 대한 응용 예 - 전기영동(electrophoresis)

colloid 용액에 전극을 꽂고 전압을 걸면 (100～200V) colloid 입자가 어느 한쪽 극에 끌리는 현상 (colloid입자가 같은 종류의 전기를 띄므로 일어나는 현상) 흙탕물입자 (-) 전기

금속수산화물 (+) 전기

- 전기투석(electrodialysis)

직류전압을 가하여 전해질 용액중의 ion 제거

▶ 제진원리 - corona 放電

동심원통 전극사이에 직류전압을 가하여 전압을 점차 높혀 가면 방전극 부근 에 푸른색의 微光(corona)을 발하며 양 극간에 전류가 흐르는 현상

※ corona 발생 : 대기중의 전자 및 이온이 방전극 근방의 강한 전기장에 의해 가속되어 가스분자에 충돌, 전리되어 다수의 ion 및 전자가 발생하고 있는 상태

1) electric field 형성

방전극(-)과 집진극(+) 사이에 높은 직류전압을 가하여 전기장 형성 (20～100kV, 대부분 40～ 50kV)

2) ionization of air

전기장에 의해 가스內의 자유전자 가속 → 분자와 충돌

→ 분자를 전리시키는 현상이 연쇄적으로 발생 → 많은 양ion, 자유전자 생성

3) charging of particles

자유전자의 속도감소 → 전자의 가스분자 표면에 흡착(가스분자가 음전기를 띰) → 전기의 가스분자 + 분진입자 ⇒ 입자가 전기를 띰

1㎛ 이상의 직경 d_p의 구형입자 충전전하 q

    ___^ (5-104)

_{  }

  

 = 1.5∼2.4 D : 분진입자의 유전상수, 2∼8

: 방전극의 전기장의 세기 (전기장의 세기 : 전기장의 어떤 점에서 단 위 positive charge 당의 힘, )

_ : 유전율

4) migration

하전된 분진입자의 집진극으로 이동

- 입자의 이동에 관여하는 힘

․ 정전기력, _ ․_    ____^ (5-105)

․ Stokes 영역의 구형입자 마찰저항력, _   __ _ (5-106)

_{ }

_{  }

_

 _____

(5-107)

_{  }

_

 × ^{ }____

(5-108)

: 이동속도(m/s),

5㎛ 이하 입자의 이론적 이동속도; 0.3m/s 이하 비산재; 0.01-0.2 m/s

E : 방전극 및 집진극의 전기장세기 (V/m)

μ : 가스점도 (kg/m.s), 300-500K 범위에서 약 50% 증가 : 분진입경(m)

_ : 유전율(permittivity) = 8.854x10^-12 (Coulomb/V․m) 유전체의 전기를 띠는 성질을 나타내는 상수

※ potential difference(V) = work(W)/Charge(Q) 1volt = 1joule/coulomb

(전기장의 두점 사이를 1Coulomb의 전하를 움직이는데 1Joule의 에너지 가 소요되면 양단의 전위차는 1Volt이다)

5) collection on collecting plates

재비산을 방지하기 위해 부착력, 응집력, 전기력 등이 충분해야 함.

6) removal from plates

▶ 집진극의 길이

입자가 집진극으로 이동하는 시간 ≤ 집진기 통과시간 ≤

_ : 가스유속, 일반적으로 0.3-3 m/sec

※ 정코로나(positive corona), 부코로나(negative corona)

- 정코로나(양의 코로나) : 전자가 코로나 영역의 가장자리에서 출발, 가속되어 wire 인 양극으로 이동

- 부코로나(음의 코로나) : 전자가 음극인 와이어 표면에서 출발, 가속되어 양극으로 이동

- 부코로나 방전은 정코로나 방전에 비해 코로나 방전개시 전압이 낮고

불꽃 방전개시 전압이 높으며

안정성이 있으므로 보다 많은 코로나 전류를 흘릴 수 있고 보다 큰 전계 강도를 얻을 수 있다.

따라서 일반적인 공업용 전기집진기에서는 부코로나 방전을 이용한다.

(예제 5-12) 판형전기집진기

2S = 23cm, 50kV, Vg=1.5m/s, 420K, 0.5㎛ 입자를 100% 제거하기 위한 집진 판의 길이?, p=2.1

▶ 제진효율

Deutsch-Anderson 방정식

    exp  (5-110)

A : 집진극 면적 : 입자의 이동속도 Q : 가스유량

(5-107)식에서 ∝ _ 이므로

    exp  _,  : 상수

[식(5-110)에 의한 효율] [석탄연소보일러의 실제 효율]

SCA : specific collector area

※ 실제 운전에서 작은 입자의 하전량이나 체류시간이 증가하므로 효율도 증가 ※ 식(5-110)의 사용예

어떤 분진의 대표 입경 2㎛

  _     

    exp    (98.8%)

공정상의 조건 변경으로 처리가스량이 20% 증가     exp 

 

  

※ _    exp _  (5-112)

_(effective drift velocity) : 분진의 크기와 모양, 불규칙한 전기장의 세기, 가스 유속분포의 불균일성, 분진의 재비산 등을 고려한 유동속도

coal fly ash = 2-20 cm/s sulfuric acid mist = 6-8 cm/s dry cement dust = 6-7 cm/s 용광로 dust = 6-14 cm/s

▶ 분진의 전기저항이 집진에 미치는 영향 - resistivity (비저항, 고유저항)

주어진 재료에 대하여 온도가 일정할 경우

R∝_

 sec 



비례상수, ρ(resistivity) - 1cm² 단면적을 가진 1cm길이의 wire저항 (재질과 온도에 의존)

R = _{ }

ρ= _{   }



 

 , [ohm. cm²]/[cm]=[ohm.cm]

V : 전압, volt

 : 전류, ampere

- 분진층의 전도도

volume conduction : 물질 자체의 성질에 의존, 온도상승 → 비저항 증가 → 전도도 감소

_  exp

 

_ : 내부전도에 기인하는 전기비저항 E : 활성화에너지,

 : Boltzmann 상수

surface conduction : 흡착된 가스나 액체에 의존하는 성질, 온도상승 → 전도 도 증가

발전소 보일러분진은 250-350℉ (121-177℃)에서 비저항의 최대값을 나타냄.

비저항을 낮추기 위해 온도를 250℉ 이하로 낮추면 황산의 응축이 일어나 장 치의 부식이 문제시 되며, 350℉ 이상으로 올리면 과도한 열손실이 문제됨.

일반적인 공장 분진의 전기비저항 : 10^-3～10¹⁴ ohm.cm 전기집진기 최적비저항 : 10⁴～10¹⁰ ohm.cm

- 10⁴ ohm.cm 이하인 경우 (carbon black)

집진극에 붙어있는 분진층의 전하가 집진극으로 재빨리 이동 집진극과 분진층의 인력 불충분 → 재비산 일어남

- 10¹⁰ ohm.cm 이상인 경우(fly ash, powdered sulfur)

전기저항이 큰 분진층의 절연효과에 의한 전극간의 전압강하에 의해 corona 형성전압의 일부분만이 gas 분자를 이온화시킴

역corona, 역이온화 (back ionization)

분진층을 통한 전압강하가 크면 분진층 내의 공기를 이온화하여 ion이 분 진층에서 방출되어 분진층의 음전하(집진극을 향해 오는 ion화된 입자)를 중 화시켜 재비산이 일어나거나 높은 전압강하에 의해 spark를 일으켜 포집된 분진 이 재비산됨

▶ 분진의 전기저항에 영향을 미치는 인자

분진특성, 온도, 습도, 연소가스의 화학적 조성

※ conditioning agent - 분진의 전기저항을 알맞은 값으로 만들기 위해 gas 에 첨가하는 물질, water vapor, ammonia, salt(NaCl), acid(HCl, H₂SO₄), oil, SO₂(SO₃), triethylamine (N(C₂H₅)₃)

→ particle surface에 흡착에 의해 dust surface의 conductivity변화

전기저항이 높을 경우 - SO3, 물, 수증기, 염, 산, 기름 주입, 습식전기집진장치 사용, 타격빈도를 높임

전기저항이 낮을 경우 - NH3주입, 트리메칠아민 주입, 조습 및 온도조절, 습식 장치 사용

※ 석탄을 연료로 사용하는 화력 발전소에서 EP를 사용할 경우 석탄의 S함량이 적절히 높은 coal이 fly ash 제진에 효과적일 수 있다.

cement kiln 먼지

비산재

비산재+조절제 비산재+조절제

▶ 집진층에서 분진의 제거

건식 - 기계적 충격이나 진동에 의해 탈진 ⇒ Rapping (정전기적 인력이 그다지 크지 않으므로)

습식 - 집진극을 撒水하여 탈진함

미세한 액적을 전기적으로 하전시켜 집진극에 부착, 집진극 표면에 흘러 내림

특징 ․ 집진극 면이 항상 깨끗하여 강 전계를 얻을 수 있다.

․ 먼지의 전기저항에 따른 역 corona, 재비산이 없다 ․ 처리가스 속도를 건식에 비해 2배정도 높일 수 있다.

․ 가스상 오염물의 흡수 가능(분무액에 화학약품 첨가)

․ 다량의 폐기물 처리문제가 발생

※ 습식전기집진기(electrostatic (droplet) spray scrubber) 1944년 Penny 에 의해 고안

EP + wet scrubber

특징 : (건식 EP와 비교) 먼지의 비저항에 따른 영양 무시

(여과집진기와 비교) 먼지의 물리 화학적 성질에 무관, 여재의 화학적 저 항과 온도 영양 무관

가스상 오염물질도 제거 낮은 전력소비

폭발 가능성, sticky particle 이나 액적의 제거 dry dust가 매우 높은 resistivity를 가질 때 특히 0.1∼0.9 ㎛ 입자에 유효

대기오염및연습 참고자료

1. 대기오염제어, 이상권 외 9명 공역, 도서출판 동화기술, 2009년

원저 : AIR POLLUTION ITS ORIGIN AND CONTROL, Kenneth Wark, Cecil F.

Warner, Wayne T. Davis, Prentice Hall, INC, 2004

2. 대기오염방지공학, 김동술, 김태오 공역, 도서출판 동화기술, 2003년

원저 : 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, 2013년

4. 대기오염측정분석학, 박기학, 손종열 공저, 형설출판사, 2000년 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, 이규성 외 5인 공저, 형설출판사, 2000년 8. 최신 대기오염방지기술, 김종석 외 11인 공저, 동화기술, 2000년 9. 대기오염과 방지기술, 동종인, 신광출판사, 2000년