<9주차>
5.8 집진원리
- 분진제거 mechanism : 중력침전(gravitational settling), 원심력 충돌 (centrifugal impaction), 관성충돌(inertial impaction), 직접차단(direct interception), 확산(diffusion), 정전기효과(electrostatic effect)
- 관성충돌 : 입자는 기체의 흐름과 동일유속, 차단물이 있을 때 기체는 차단물 주위로 유선을 형성하나 어느 정도의 질량을 가진 입자는 관성력에 의해 차단 물에 충돌
- 직접차단 : 관성충돌하는 입자보다 가벼운 입자는 차단물에 충돌하지 않고 차 단물 주위의 유선을 따라서 이동, 차단물 주위에서 유선이 수렴, 입경이 유 선과 차단물간의 간격 보다 클 때 직접차단 됨.
- 확산 : 0.1㎛ 근방의 아주 작은 입자는 Brown운동에 의해 차단물 위에 충돌, 충돌 후의 이탈을 방지하기 위하여 접착성 물질로 차단물 표면을 피복하기도 함.
제진기구는 분진제거 mechanism의 1개 이상의 원리를 응용하여 제작.
5.9 집진장치
※ 제진시설 선택을 위한 고려사항
① 입자의 모양, 밀도, 입경분포 등 분진의 물리 화학적 특성 ② 배기가스의 유량 범위
③ 예기되는 분진의 농도 및 부하 ④ 배기가스의 온도, 압력 및 습도 등 ⑤ 배기가스의 부식성 및 용해성
⑥ 처리후 배출가스의 조건(요구되는 제진효율) 제진기기의 연결사용 여부 결정
- 종류
중력침강집진기(gravity settling chamber) 원심력집진기(cyclone)
세정집진기(wet collector) 여과집진기(fabric filter)
전기집진기(electrostatic precipitator)
5.6.1 중력침강집진기 (gravitational settling chambers)
- 밀도가 작은 입자에서 50㎛까지 적용, 밀도가 크면 10㎛까지도 적용 가능
- 분진이 제진되기 위한 조건
폭 : W
유량 : Q
Q=WHV
분진이 침강하는hydrauric데 걸리는 시간 ≤ 침전실 내에서 체류시간
100% 제거되는 최소 입경
∴
Stokes 영역 (Re = : 10-4 ～0.5)에서 구형입자의 침전속도
(직경이 5-50㎛인 구형입자, ≫ )
≧
실제로 중력침전실 내에서의 와류 때문에 Stokes 영역에서의 terminal velocity의 1/2로 감소된다고 가정
m in
_ 100%로 제거되는 최소입경을 감소시키기 위한 방법 ⅰ) H/L을 감소시킨다.
ⅱ) V를 감소시킨다. → 장치의 크기와 관련
침전된 입자의 재비산을 방지하기 위해서 30-300 cm/s 이하로 설계
- 작은 입경에 대한 부분집진율(층류)
- 수평판을 (n-1)개 설치한 경우의 100% 효율을 갖는 최소 입경 (층류)
n : 구획된 공간의 수
부분집진율
- 침강실 내부의 기류 평가
층류 : Re <2000
전이영역 : 2000 < Re < 10000 난류 : Re > 10000
※ Re 계산에서 원관이 아닐 경우 직경은 [4x수력학적 직경(hydraulic diameter)] 사 용
× 수력학적 직경 젖은 둘레
흐름면적
(예제 5-6) H=W = 3m, V=1m/s 인 침강실의 흐름을 판정
젖은 둘레
흐름면적
=
cf. 대기중 침강하는 분진의 레이놀즈수,
- 난류에서의 침전
길이 : L, 폭 : W
가정 : 모든 크기의 분진이 연속적으로 층류층으로 침강
층류층으로 들어온 입자는 포집되고 난류로 되돌아가지 않음 난류층에서 입자분포가 균일
Np : 침강실의 어떤 위치 x에서 가스에 남아 있는 직경 dp인 입자의 수 dNp/Np : dx의 거리에서 층류층에 도달하는 직경 dp인 입자의 분율
t = dx/ V = y/ Vt
y : t 시간동안 침강한 입자의 수직거리
y/H : 층류층에 도달하는 입자의 분율
음의 부호는 x 증가에 따라 Np는 감소
ln
ln
경계조건 1) x=0, Np = Np,0 2) x=L, Np = Np,L
exp
직경 dp인 입자의 효율
exp
exp
(예제 5-7) dp = 50㎛, = 2.0 g/cm3, V=0.5m/s, H=3m
90%의 효율을 갖는 중력침강실의 길이를 구하시오.(층류라고 가정)
- 중력침전실의 종류
ⅰ) 단순팽창식 (simple expansion chamber)
처리 gas가 입구를 통해 확장부에 들어오면 gas의 유속감소 따라서 속도에 의한 관성력보다 중력의 영향을 크게 받아 침강
ⅱ) 하워드 침강집진기 (Howard settling chamber) 단순팽창식 침강집진기와 같은 원리
팽창실內에 처리가스 이동방향과 수평으로 평판을 설치 → 침강에 필요한 수직 침강거리 감소 (1“까지도 가능)
․ 각 침강실에 처리 gas의 균일한 유입을 위해 입구에 guide vane (유도깃) 혹은 screen 설치
․ 효율은 좋으나 침강 퇴적되는 분진의 청소가 힘들고 처리가스 온도가 고온 일 경우 수평판이 고온팽창에 의해 침강실이 폐쇄될 수 있다.
- 중력침전실의 기본특성
․ 에너지 비용이 낮다( 압력손실이 적다 ) ․ 유지비, 시공비가 적게 소요
․ 신뢰도가 높다 (중력침전)
․ 시설규모가 크고 많은 공간 요구됨 ․ 제진효율이 낮다
통상 50㎛ 이상인 입자의 제거, 입자밀도가 큰 경우 10㎛ 까지도 제거 가능 ․ 전처리 시설로서 굵은 입자를 경제적으로 제거하기 위해사용
전처리 시설은 배기가스의 분진농도가 대단히 크거나 하류에 위치한 제진시 설에 해를 가할 수 있는 큰 입자의 제거를 위해 설치
(문제 5-57) 1atm, 300 K, Q = 2.5m3/s 에서 dp=50㎛, =1400kg/m3인 먼지를 제 거하기 위하여 중력침강실 사용, 침강실은 H=2m, W=4m, 바닥 포함 25개 단사용, 층 류로 가정
a) 100% 효율을 위한 침전실 길이 b) Re
c) 40, 30, 20, 10 ㎛ 입자에 대한 부분집진율(L은 a)에서 구한 값 사용) d) 부분집진율 곡선(효율 vs. 입경)
(sol) (그림5-8)에서 50㎛, =1000kg/m3인 분진의 Vt=7.5cm/s 밀도를 보정하면 7.5(1400/1000) = 10.5cm/s
a)
=
= 0.238m
b)
5.9.B 원심력집진기(cyclone separator)
- cyclone : 처리가스內의 고체 혹은 액체분진을 vortex(선회류)에 의한 원심력으로 제거하는 장치
- cyclone의 구조
- cyclone에서 기류의 운동
외 부 선 회 류 (하향선회류)
내 부 선 회 류 (상향선회류)
기류의 방향이 변화될 때 직진운동
하 려는 입자의 관성에
의해 포집,
원심력은 원통과 원추부의 외벽을 통한 고속회전에 의해 생김.
- 일반적으로 10㎛ 이상의 입자 제거에 사용
▶ 사이클론의 제진효율 - 유효회전수
(5-56)
- 분진의 부분집진율
원운동 내반경 Ri, 외반경 Ro(사이클론의 원통 반경)
Ne 회전동안 원심력에 의해 Ri에서 Ro로 이동 ⇒ 100% 제거됨 Ri ∼ Ro 사이에 들어오는 직경 dp의 입자는 모두 제거
Ne 회전동안 완전히 제거되지 않는 분진에 대해
R* : Ne 회전동안 직경 dp의 입자가 외벽에 도달하는 최소 반경 Ro-R*의 거리내에 있는 입자들은 완전히 제진 (R<R*<Ro) 제진효율은 아래와 같이 표현됨
(5-57)
( ) = W (사이클론 유입구폭)
( ) = (가스흐름에 수직의 입자속도)x(가스가 외부vortex에 머무는 시 간)
법선(반경)속도는 중력의 영향을 무시할 때 반경방향에서 원심력과 마찰저항
력의 등식에 의해 구함
구형입자의 운동에서 Stokes 흐름을 가정하면
마찰저항력 :
Ap : 침전방향에 직각인 입자의 단면적 = π
CD = 24/Re = 24/ () Vn = 법선(반경)속도
∴
원심력 :
접선속도 = f(R)
∴
(5-58)
가정
• Vt = Vg (가스 유입속도) • R = (Ro + Ri)/2
• Vn = (Ro-R*)/ ; 일정
(5-59)
입자가 외부선회류에 머무는 시간
(5-60)
(5-61)
식(5-57)로부터
(5-62)
※ 절단입경 (분리경, cut diameter) (=0.5 일때 )
집진효율이 50%에 상당하는 분진의 입경, Lapple의 반실험식 (= (5-62)식에서 = 50%인 dp)
(5-63)
※ 분진의 입경분포를 알 수 있다면 cyclone의 총괄집진율을 구할 수 있음
- (그림 5-17)에 대한 수식(Theodore and Depaola, 1980)
특정입경범위의 제진효율
입경, ㎛ 질량%
0-2 2-4 4-6 6-10 10-18 18-30 30-50 50-100
1.0 9.0 10.0 30.0 30.0 14.0 5.0 1.0 (예제 5-8)
(ex) Lapple의 표준 cyclone (body dia. 1m), 공기 Q = 150 m3/min, T=350K, 1atm, 입자밀도 1600kg/m3, 분진의 입경분포는 아래와 같다. 총효율은?
= 0.075 kg/m․hr
- 총괄집진율
∝
∝
(5-64)
※ cyclone에서 효율을 높이기 위한 방법
․ 가스의 유입속도, 분진밀도, 입자경이 클수록 효율증가 ․ 사이클론의 몸통 직경이 작을수록 증가(유입구 폭) ․ 배기가스의 점도가 작을수록 η증가
(가스온도증가 → 점도증가)
․ 원심분리기의 길이가 길수록 효율증가 (유효회전수)
․ cyclone 내벽의 매끈함 (smoothness) - 벽근방에서 turbulence 방지
- 사이클론의 설계에서 압력손실과 효율의 tradeoff 압력손실의 증가 (동력비 증가) ⇒ 효율 증가
∝
- 동력계산
- 분리계수(separation factor) cyclone에서 Fc/Fg를 말함
Fc/Fg ≒ Vg2/Rg
- Blow -down 효과
cyclone의 분진퇴적함으로부터 처리가스량의 5～10%를 흡인하여 cyclone 내 의 선회기류를 안정시키는 방법, 제진된 먼지의 재비산 방지 → 집진율 향상, 먼지의 장치내벽 부착으로 인한 장치의 폐쇄방지
- multicyclone
작은 직경의 cyclone은 효율은 좋으나 처리유량이 소량이므로 multicyclone 형
태로 제작한 cyclone
single unit : 16-200 정도의 tube로 구성, tube 직경 6-12 inch
- cyclone의 장단점
장점: 적은 설치비용, 고온 고압에서 운전 가능, 움직이는 부분이 없으므로 구조가 간 단하여 유지보수비용이 적다.
단점: 효율이 낮다. 운전비용이 비싸다.(고압력손실)
용도 : recovery of dry product
- 처리가스 유량이 클 경우 parallel cyclone이 효과적 이다.
cyclone의 직열연결은 총괄효율은 증가하나 압력손 실 때문에 cost 증가
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
