자동세정재생형공기여과기

공기와물을이용한용수절감형

자동세정재생형공기여과기

환경사업팀 김 윤훈

공기여과장치는지하철등외기도입및환기과정에서발생 하는공기중의오염물질을제거하여실내의공기질을유지 키위한핵심장치이나, 기존의교체형의경우, 교체시발생 하는 관리비 및 교체운영에 따른 시설물의 관리유지에 많 은 비용이나 노동력이 사용되고 있어 이 같은 비용을 줄이 고자자동세정에의한필터의재생장치가사용되었다.

그러나 (1)세정재생 시 과다한 물의 사용, , (2)낮은 세정 재생능력으로 여과 성능이 낮고 유지가 곤란하며, (3)고 압력손실의유지로환기손실및동력비용발생증가, (4)재 비산의 발생, (5)잔류액적에 의한 동결 발생, (6)고 풍속에 서의 정격사용곤란 (7)운전비용 및 유지비용 증가 (8)잦 은 고장과 집진설비의 신뢰성저하를 초래하는 등 자동 재 생형공기여과기의문제점으로제기되었다.

현재국내에서사용되고있는물분사식자동 세정형 공기여과장치는 지하철과 공항, 터널 등 대형 건축물에 사용되 고 있으나, 재생에 따른 재생의 효율 문제로 안정적인 성능의 유지가 곤 란하거나 개발수준의 미흡에 의한 품질의미흡으로수입에의존하는등개선 이시급한실정이다.

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1.. 기 기술 술 개 개요 요

본 기술은 (1)물과 압축공기를 이용하여 혼합유체 (Mixing Fluid)를 만들어 먼지와 이물질이 포집된 필터에 Air Atomizing 노즐의분사장치로필터의후면에서분사하 여 필터를 세정하고, (2)세정 후 노즐에 의한 압축공기분 사로 필터에 잔류한 액적(Retained Droplet)을 제거하여 동결을방지하며, (3)여과면적을확대한구조의개발로고 풍속 환경에서의 사용과 여과성능을 향상시키고 (4)필터 에 점액을 분사하여 분진의 재 비산 방지와 역류환경에서 도 사용할 수 있도록 한 기술로서, 필터에 먼지 포집 후 물 과 공기의 종말 침강속도(Terminal Settling Velocity)차이 와 물과 공기의 부피팽창을 통한 중력방향으로 세정하도 록 구조를 개선하여 세정 능력과 공기여과성능을 향상시 킨기술이다.

본 기술은 당사와 부산대학교 환경기술?산업개발연구소 와 공동으로 개발한 기술로서 기존의 지하철 등 공조장비 에 사용되고 있는 물을 이용한 자동세정 재생형 공기여과 장치를 크게 개량한 것으로서, 지하철의 역사와 본선환기, 차도터널과 반도체 공장의 외기도입용, 공항, 백화점등의 대형건축물과 주차장 등의 급기 및 배기 등에서 발생하는 오염물질의 제거로 공기질을 개선하고 수입대체와 함께 효과적으로사용할것으로예상하고있다.

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2.. 개 개발 발기 기술 술의 의 활 활용 용

(11)) 대대기기환환경경개개선선

여과성능과 필터의 재사용을 위한 세정능력의 향상으로 지하철역사(역사 및 본선 환기구)의 공기 질 개선과 터널 의 배출공기오염의 저감, 반도체공장 및 공항, 백화점, 지 하 주차장 등의 유입공기와 배출공기의 질적인 향상을 통 해서실내공간과대기환경을개선

(

(22)) 용용・・폐폐수수 발발생생절절감감

물과 압축공기를 1:60의 비율의 혼합유체로 제조하여 사 용하므로세척시기존의물에의한세정공정에서보다2/3 이상의 세정수를 절약할 수 있으며, 그로 인하여 발생되는 세정후오수의발생량을저감

(

(33)) 고고풍풍속속 환환경경에에서서의의 사사용용

기존의 고 풍속(5 m/sec이상)의 구조 환경에서 필터에 의 한 분진포집이 어려운 장소에 적용 및 설치가 가능하므로 기존의 건축물에서도 토목 및 건축구조의 변경이 없어 비 용의 절감과 열악한 환경에서도 정격성능을 유지하여 공 기질의향상을기대

(

(44)) 운운전전비비용용과과 유유지지관관리리 노노동동력력의의 절절감감

기존장비의 세정미흡으로 인한 압력손실의 증가에 의한 송풍동력비용과별도의세정을위한노동력을절감한다.

(

(55)) 동동결결방방지지

세정 후 압축공기분사에 의한 건조로서 급수배관, 세정수 배수라인, 배수구및필터의동결에의한동결해소로연속

분사 2유체너즐내부 분사형식

Product Outline

식(1)

사용이가능하다.

(

(66)) 건건설설비비용용의의 절절감감

통상 공기여과장치의 상용화 풍속은 2.5m/sec으로 단면 적을 확대하는 토목구조물의 건설비용을 5m/sec로 단면 적을축소할수가있어건설비용을절감한다.

(

(77)) 수수입입대대체체 및및수수출출 효효과과

해외의 지하철 및 터널, 공장 등의 공기조화 및 환기설비 등환경오염방지에적용하여수출로산업발전에기여

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3.. 기 기술 술의 의 원 원리 리

본 기술은 먼지 및 이물질 등이 포집된 필터의 공기흐름의 반대방향에서 물과 고압의 압축공기를 혼합 유체로 만들 어서 Air Atomizing 노즐로 분사하여 전면에 포집된 먼지 등을 제거하고 고압의 공기만으로 세정 후 잔류한 물을 제 거하며, 점액( Viscous Liquid )을 분사하여 포집된 분진의 비산을 방지하는 원리로서, 동일공간에서 세정재생 효율 의 향상, 포집효율 등 여과성능의 향상, 포집분진의 재 비 산 억제 및 고풍속의 환경에서도 사용이 가능한 구조로 개 발하였다.

3.1 혼합유체를이용한세정재생기술

3.1.1 세정원리

(1) 물과 압축공기를 일정비율(1:60)로 혼합유체(Mixing Fluid)형태로 필터의 상부에서 하부로 수직방향에서 분사 하는 방법으로서 동일조건에서 물과 공기가 분사되었을 때, 고압공기보다 먼저 먼지가 포집 된 필터표면에 도착한 액적(Liquid Drop)이도달하여필터여재(Media)에도달한 후 그 뒤를 이어서 압축공기가 투과(Penetration)하는 형태 이다.

(2) 본 장치의 메카니즘은 입자가 정지 대기 중 초기속도 0으로배출되고중력만이작용할때운동방정식은다음과 같다.

항은 유체 내 입자의 부력을 보정한다. 가스 속 에서고체입자에대한이값은거의1에가깝기때문에종 종무시된다. 식(1) 의풀이는다음과같다.

여기서, vt는 종말 침강속도(Terminal Settling Velocity)이고, 다음과같다.

(3) 종말 침강속도는 0.1~100 ㎛의 입자에 적용되는 식으 로써 대부분의 Filtration에 적용 된다고 볼 수 있다. 식(3) 에서 종말 침강속도는 입자의 밀도에 비례하며 입자의크 기의제곱에비례함을언급하고있다. 본장치는물과공기 의 밀도차이가 있음을 인식하고 밀도차이에 의한 종말 침 강속도가 다르다는 사실을 이용하여 물과 공기를이용한 본 장치를 개발하게 되었다. 기존의 자동 세정형 공기여과 기보다중력의힘을최대한이용한장치이다. 본장치는물 과 고압공기를 혼합하고 구조를 기존방법과 개선하여 세 정을 용이토록 하여 물의 사용량을 줄이고 고압의 공기를 이용하므로세정재생능력을높일수있다.

3.1.2 충격량과운동량

(1) F=충격량=운동량=1/2mv2

Q1 = WATER, Q2 = AIR + WATER(α+Q1), V1<V2(V1+α) 압력이 일정할 경우 노즐 단면적에서 분사되는 유량 Q1 이 일정할 때 유속 V1은일정하게 된다. 이때 분사량 Q1=

순수물만 분사하는 경우이고, 이와 달리 Q2의 경우는 Q1 의물량에α의AIR가첨가되는경우동일한압력과단면적 일 경우, α만큼 통과를 빨리 해야 하므로 유속이 빨라진다.

즉, V2=V1+α가 되는 것이다. 운동량은 속도 V1에 따라 그 운동량이 제곱에 비례하므로 그에 따른 충격량은 급격 히늘어나게되는것이다.

(2) 필터를 세정할 때 기존여과장치의 물의 압력은 3㎏f/

㎠ 이나 2유체 분사형 자동세정공기여과장치의 물의 압 력은 1.6㎏f/㎠, 압축공기의 2.0㎏f/㎠ 압력으로 1:60의 혼 합분사로 노즐에 의해 분사될 경우 부피의 팽창으로 인해 필터에 포집되어 여과 조직의눈 막힘 작용을 하고 있는 입자를잘분리시켜세정할수가있다.

3.2 필터의경사도를수평방향으로설치하여세정효율향상

3.2.1 기존의경사(傾斜) 분사에세정

(1) 기존의 방법은 40˚전후의 경사가 진 상태에서 전면 과후면, 또는후면에서노즐의분사로세척을하였으나이 는 경사가 진면을 노즐분사로 50 mm 두께의 필터를 100% 투과시키기에는경사진것과필터조직의장애물로 인하여, 필터의 전체 면과 두께의 1/3정도만 투과되고 나 머지는 관성에 의해 경사진 면을 따라 하부로 흘러 내림에 따라 사용과 세정의 시간이 경과가 될수록 필터의 일부분 인 상부는 세정이안 된 채로 사용이 되어 필터 전체면의 성능이 상실 되어가는 과정이 발생하여 필터의 초기성능 을 유지하기가 곤란하였다.(효율의 저하, 압력손실의 증가

dv

dv

+ v = [ ] g -

Υ ρ^p

ρ^pρ^F ρ^pρ^F/ρ^p

[ 1- exp(-t /τ) ] ( ) -

v

= v

=τg= g v

18 μ ^식(3)

g

v

ρ C d

p p

: 상대속도(Relative Velocity) : 항력계수(Drag Force Factor) : 입자의 크기(Diameter of Particle) : 입자의 밀도(Density of Particle) : 중력상수(Gravity Constant)

이류체노즐

필터

세정수흐름방향

▼▼

▼

▼

▼

그림3-1 기존세정방식

등)

(2) 기존의방법중에서는경사진후면의청소만으로세정 하거나 전면과 후면을 각각으로 청소를 하는 방식이 있으 나, 전자는 세정능력의 미흡으로 필터의 성능유지가 어렵 고 별도의 세척작업이 필요로 하는 등 유지관리의 노동력 과추가비용의발생되는등의애로가있었다. 전면과후면 을 청소하는 방식은 전면에서 청소할 경우 필터에 포집된 방향으로 물을 분사함에 따라 오염물질이 필터내부에 쌓 이는 현상과 물의 다량소비, 부대설비의 추가, 세정능력의 미흡등의문제가있어왔다.

3.2.2 혼합유체(이류)에의한수평형세정방식

(1) 상기의“3.기술원리”와 함께 관성법칙에 의한 중력방 향으로 물과 압축공기의 힘을 최대한 이용하여 측면에서 경사지게 필터를 세정하는 것보다 세척 면이 수평에 가까 울수록 효과적인 세정을 위한 투과력이 증가되어 세정율 향상에 따른 여과 성능의 확보가 가능하여 다량의 공기오 염을제거하거나장기간의사용에도필터본래의성능유지 가가능해진다

3.3 수평설치구조에 따른 구조변경으로 단위면적당 처리 용량증대로여과성능의향상

(1) 기존의필터장비(45°설치각)와비교하여수평에가까 운각도로설치하여동일공간에서의필터의여과면적을2 배로 증대시켜 일정한 오염공기의 유입 시 분진포함하는 필터의 면에 작용하는 공기유입속도를 저하시켜 분진의 포집효율을 향상하였다 (NAFA GUIDE TO AIR FILTRATION, USA 1993).

(2) 여재는 보다 낮은 여재 속도에서 보다 효율적으로 성 능을 발휘한다. 이것은 차단과 확산 효과에 의존하여 성능 을 발휘하는 필터의 경우에 특히 그렇다. 차단 및 확산은 양자 모두 효율적이 되려면 필터여재를 통과하는 공기의

속도가보다낮을필요가있다.(포집성능의향상) (3) 여재의압력손실은재질이평면판형태로사용되면너 무 높아질 수 있다. 이것은효율이 높은 여재일수록 특히 그렇다. 필터여재의압력손실은셀타입의필터인 경우 대체로 통과하는 공기의 속도에 직접 비례한다. 여재 의 양이 두배로 되면 여재를 통과하는 공기의 속도, 즉 여 재의압력손실은반으로줄어든다.

3.4 공기를 이용하여 세정 후 필터에 잔류하는 세정수를 제거하는기술

(1) 기존 공기여과장치는 세척장치의 세척수단으로 물만 을사용하였으며, 이로인해필터표면에잔류액적이다량 존재하며, 이는 필터의 건조 시간을 길게 하고, 수분의 실 내유입이 되어 주변기기의 부식을 초래하거나, 동절기의 경우에는 필터 표면의 잔류 액적으로 외부 기온의 하강에 의하여 동결되어 필터의 압손 증가 뿐만 아니라 필터 시스 템의고장을유발하는요인이되고있다.

(2) 본 기술은 필터 세정에 사용하는 분사노즐을 사용하 여 추가로 노즐을 설치하지않고 동일노즐에서 공기만을 분사하여(압력 4kgf/㎠, 유량 22㎥/h) 세정 후 필터에 잔류 하고 있는 세정수를 제거하여 기존은 32.1%이나 본 기술 은72.85% 건조성능을얻었다.

4

4.. 시 시험 험 평 평가 가

4..11 지지하하공공간간으으로로 유유입입되되는는 미미세세먼먼지지의의 농농도도기기준준 만만족족 (

(공공기기질질 관관리리법법))

본 장비의 환경기준의 달성 여부를 확인하기 위하여 2003 년 7월 14일부터 8월 2일까지 동안 부산지하철 2호선 서 면역사B환기실내에서실제측정하였다.

지하철 실 공간내의 분진농도 측정시험 결과 대기질 분진 은 184.7㎍/㎥의 수치를 나타내었으며, 기존장치 후단에 서의 분진농도는 78.7㎍/㎥으로 분진제거율은 57.39%에 해당되며, 2유체 분사형 자동세정 공기여과장치 후단의 분진농도는 26.3 ㎍/㎥으로 분진제거율은 85.76%로 나타 났다. 이는 기존장비보다 28.37%의 분진제거효율 상승효 과를보였으며, 관련법규를만족하는것으로나타났다.

지하철 분진을 EDXA로 분석한 결과 철(Fe)원소의 무게 비(Weight %)가 42.30%, 산소(O) 30.47%, 규소(Si) 13.33%, 칼슘(Ca) 9.91%, 칼륨(Ka) 3.99% 순으로 구성되 어있었으며, SEM 사진으로 분석한 결과 섬유상의 물질도 일부포함되어있는것으로확인되었다.

이류체노즐

필터

세정수흐름방향

▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼

그림3-2 혼합유체에의한수평형세정방식

(a) 신청기술3333333333 333333333(b) 기존기술 그림3-3 여과면적확대의원리 NAFA GUIDE TO AIR FILTRATION, USA 1993

구분 단위

미세 먼지

오염농도 여과기전 여과기후 환경기준

분진농도 184.7 184.7 26.3 150

비고 지하역사 외기도입부

지하생활공간공기질관리법

㎍/㎥

㎍/㎥

[표4-1] 오염공기처리전후의미세먼지농도측정

4

4..22 세세정정 시시발발생생한한 오오염염물물질질에에대대한한 분분석석과과 폐폐수수처처리리

4

4..22..11 세세정정 시시세세정정수수의의 분분석석

(1) 세정전의원수와개발장비에서사용된세정수와기존 장비에서 배출된 세정수의 성분 분석을 실시하였다. 폐수 배출허용기준이 개별배출시설에 적용되는 규제기준이라 고 볼 때 방류수수질기준이란 하수 ・ 폐수 및 분뇨처리시 설과 같은 종말처리시설에적용되는 기준으로 BOD, COD, SS 및 T-N, T-P 등 5개 항목 및 유입되는 지하철 분진의 조성을고려하여중금속성분또한분석하였다.

(2) 분석결과구리를제외한다른중금속항목에서는검출 이되지않았으며, 기타항목들은거의유사한결과치를보 였으며SS(Suspended Solid)의경우기존장비보 다높은결과치를얻을수가있었다.

4

4..22..22 역역세세 시시세세정정수수의의 폐폐수수의의 처처리리방방법법

(1) 일일 발생되는 폐수발생량이 20ton 미만인 경우에는 일반적으로 위탁처리를 행하고 있으며 지하역사에서 발 생되는 폐수의 양이 평균 3～5 ton 정도임을 감안할 때 이 와 같은 경우에는 별도의 폐수처리시설을 두지 않고 위탁 처리하는것이경제적이다.

(2) 현재 전국의 지하철에서 자동세정형 공기여과기는 상 수의 사용으로 세정을 하며, 세정 후에는 지하철역사내의 집수정으로세정수를보내어폐수를처리하고있다 (2) 세정효율과물사용량

세정 시 물 사용량의 평균은 노즐 당 13.88 ℓ/min에서 5 ℓ/min로 63.9%의 감소 율을 보였으며, 물 사용량의 감소에도 불구하고 필터의 세정효율은 기존의 단면 세정율 85.6%에서 96.75 %로 11.15 %, 기존의 양면세정 91.5 %에서 96.75 %로 35.25 %의효율증가를보였다.

4

4..33 여여과과면면적적을을 확확대대한한 수수평평 구구조조로로 필필터터를를 설설치치하하여여 공

공기기여여과과장장치치의의 성성능능을을 향향상상 (1) 분진포집공정의구성

○ 기존의 분진포집공정은 일정공간 (500mm x 500mm 또는 610mm x 610mm) 에31개의필터를40～45°의경사로1개설치하는구조를가지고있는반면신청 기술은 동일 공간에 2개의 필터를 수평에 가까운 경사로 설치하였다. 공간대비 필터의3분진 포집면적의 증가로 필터의 면 풍속(Face Velocity)을 감소시켜 분진 의포집효율을증대하고, 풍속감소에따른여과압력손실이낮다.

3

○필터의수평설치에따른기류의균배를위해Grid를필터하부에설치하였다.

(a) 현장실험전 (b) 필터및세정내부전경

(a) 기존여과장치 (b) 기존여과장치후단

(가) 신청장비 (나) 기존장비

그림4-1 집진장치성능평가용풍동에설치된2유체분사형자동세정공기여과장치

그림4-2 . 집진장치성능평가용풍에설치된2유체분사형자동세정공기청정장치및 기존여과장치사진2003. 7 부산서면역사B환기실부산대환경기술산업개발연구소

그림4-3 분진농도측정사진

그림4-4 EDXA 그래프

그림4-5 SEM 분석사진 (가) ×100 (나) ×300 (다) ×300

구분

단위

mg/ℓ 평가

항목 분석 항목

방류수 수질기준

신청

기술 비고

세정수 분석

pH COD BOD SS T-N T-P Cu Pb Cd Cr 6+

As Hg

5.8～8.6 40이하 30이하 30이하 60이하 8이하 3이하 1이하 0.1이하 0.5이하 0.5이하 0.005이하

7.08 7.2 2.9 28.2 2.15 0.079 0.055 N.D N.D N.D N.D N.D

환경오염 공정시험법

※N.D=Not Detected

※현재지하철에서자동세정형공기여과기에사용하는물은상수를사용하고있음.

※방류수수질기준은폐수종말처리시설을기준함.

(2) 여과성능에대한자체평가결과

○분진포집효율과압력손실

4

4..44 압압축축공공기기의의 분분사사를를 이이용용하하여여 세세정정 후후필필터터에에 잔

잔류류하하는는 세세정정수수를를 제제거거

(1) 건조공정의구성

급기배관 - Air-Atomizing Nozzle - 공기분사 - 잔류액 적제거

(2) 건조효율

5

5.. 주 주요 요적 적용 용사 사례 례

(11)) 지지하하철철

(

(22)) 반반도도체체공공장장

((33)) 차차도도터터널널

미국의 Pliotron, AAF, FARR등은 물이나 오일등을 이용하 여 자동재생형 공기여과 장치를 개발하여 한국을 포함, 전 세계에 공급하고 있으며, 최근에는 일본의Panasonic 등은 공기재생방식이나 물의 분사를 통한 집진설비를 개발하 여터널및반도체공장등에공급을하고있다.

따라서, 대기환경기준을 만족하면서 세정 시 대량의 물을 사용하지 않고 세정재생능력을 크게 향상시키고 물 분사 시 공기정화장치의 부식 및 물방울의 재 비산, 세정후 발 생하는 동절기의 동결문제를 해결하고 역류환경 사용등 수요처의 요구사항을반영한 물과 압축공기를 동시에 이 용한 자동세정형 공기여과기 세계최초로 개발하게되었 다.

6

6.. 기 기술 술개 개발 발동 동향 향

미국의 Pliotron, AAF, FARR 社 등은 물이나 오일등을 이용하여 자동재생형 공기여과 장치를 개발하여 한국을 포함, 전세계에공급하고있으며, 최근에는일본의 Panasonic 등은 공기재생방식과 물의 분사를 통한 집진설 비를 개발하여 터널 및 반도체 공장 등에 공급을 하고 있 다.

7 7.. 결 결론 론

본 연구는 건물 공조 시스템에서 외부 유입 공기를 정화하 기 위하여 2유체 분사 기술을 적용한 자동 세정형 공기여 과장치를개발, 상용화하는것으로, 재생가능한공조용집 진 필터의 여재 선정, 자동 세정 효율 향상을 위한 필터 형 상 결정, 시제품 설계/제작, 자동재생 Filter System 성능평 가를통하여, 고성능자동재생형공기여과장치를개발, 상 용화하였으며 본 2-유체 분사형 자동세정형 공기여과장 치를 개발함으로써 환경적 기대효과로는 세정 시 폐수 발 생 절감 및 지하 공기질을 개선할 수 있으며, 경제적 파급 효과로 기존 자동세정형 공기 여과장치의 경우 1일 물 사 용량이 1.7 ton이였으나, 2-유체 분사형 자동세정 공기 청 정 시스템의 경우 0.6 ton으로 65%의 용수 절약과 이에 따 른폐수처리비용또한65% 절감되는효과가있다.

구분 신청기술

데미스터 데미스터 데미스터 데미스터

분진포집 효율(%) 압력손실 (mmAq)

중량법, 공정시험 중량법, 공정시험 필터Type

필터설치각도( °) 0 86.4 85.76

2.55 2.2

40 ～45 78.3 57.39

4.1 3.8

40 ～45 78.4

3.9

40 ～45 79.7

3.6 기존제품

A B C

구분 신청기술

물,공기의혼합분사 필터후면 Atomizing

93

물분사 필터후면 건조공정없음

-

물분사 필터양면

Spray 32.1 세정방식

세정방향 건조노즐 건조효율(%)

기존기술

A B