KR100292556B1 - 원판형고효율먼지하전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명장치인 원판형 먼지하전장치는 접지극이 연결된 원통의 중심을 따라 원판형 코로나 방전극을 다수 장착한 구조로서 방전극과 접지극 사이에 전류밀도가 고른 전기장을 형성시킬 수 있고, 적은 전력소모로도 큰 전류밀도를 얻을 수 있으며, 방전극을 유체의 흐름방향으로 다수 배치시킴으로써 장치로 유입되는 먼지를 반복적으로 전기장을 통과시키면서 하전시키므로 빠른 유속조건에서도 미세먼지입자의 하전효율이 증가하게 된다.

본 발명은 중유 연소공정, 폐기물 소각로공정, 제철제강업 및 발전소의 미분탄 연소공정 등의 먼지발생공정에서 배출되는 먼지입자를 효과적으로 포집하기 위하여 여과포 집진장치로 유입되는 먼지입자에 정전기적 인력을 부여하여 여과포에서 미세먼지입자의 포집효율을 상승시키고 여과포 표면에 공극율이 큰 먼지층 형성을 유도하여 압력손실을 저감시킬 수 있는 먼지하전장치이다.

Description

원판형 고효율 먼지하전장치{Disk Type High Efficiency Dust Ionizer}

본 발명은 중유 연소공정, 폐기물 소각로공정, 제철 제강업 및 발전소의 미분탄 연소공정 등의 먼지발생공정에서 베출되는 먼지입자를 효과적으로 포집하기 위하여 여과포 집진장치로 유입되는 먼지입자에 정전기적 인력을 부여하여 여과포에서 미세먼지입자의 포집효율을 상승시키고 여과포 표면에 공극율이 큰 먼지층 형성을 유도하여 압력손실을 저감시킬 수 있는 먼지하전장치에 관한 것으로 적은 전력소비로 높은 유속조건에서도 미세먼지의 하전 효율을 높일 수 있는 먼지하전장치의 방전극과 접지극 설계 및 그 구조에 관한 것이다.

먼지 배출량이 다량인 업종에서는 배출먼지를 포집 제거하기 위해 대부분 전기집진장치와 여과포 집진장치가 널리 사용되는데, 일반적으로 미분탄 화력발전소와 같이 대용량의 연소기체를 처리하는 공정에서는 주로 전기집진장치가 사용되고, 중ㆍ소용량의 연소기체 및 함진기체를 처리하는 산업체에서는 여과포집진장치가 주로 사용되어 왔다.

그러나 대기오염 규제치를 만족시키기 위해 연료의 사용이 점차 저유황 연료로 전환됨에 따라 배출되는 먼지는 큰 비저항을 갖게 되었고 이에 따른 역전리현상의 발생으로 인해 전기집진에 적합한 조건 유지가 불가능하여 전기집진에 의한 집진성능이 급격히 저하하였다.

이와 같은 전기집진장치와는 다르게 먼지의 전기적 특성에 의존하지 않고 안정적이며 높은 집진효율 유지가 가능한 집진장치인 여과포 집진장치를 1973년부터 미국의 펜실바니아 파워 앤드 라이트사의 선버리 발전소에 처음으로 적용하였고 휴스턴 라이팅 앤드 파워스 파라쉬 발전소와 콜로라도스 코만치 발전소 등에서도 전기집진장치를 여과포 집진장치로 대체 적용하였다.

이러한 여과포 집진장치는 초기에는 많은 문제점이 발생되었으나 높은 집진 성능이 유지되어 높은 신뢰성이 인정되었으며, 이러한 결과로 인해 종래의 전기집진장치를 충분히 대체할 수 있는 가능성이 인정되었다.

하지만 높은 집진효율에 반하여 몇 가지 단점을 가지고 있는데, 여과조작이 진행됨에 따라 여과포에 포집되는 먼지층이 두꺼워지면서 압력손실이 높아져 정상적인 운전이 불가능하게 된다.

따라서, 주기적인 탈진조작(cleaning)에 의해 여과포 표면에 포집되어 있는 먼지를 털어 내야 한다.

탈진조작은 주로 물리적인 운동이나 강한 에너지를 가하여 여과포 표면에 포집된 먼지층을 털어 주는 조작인데, 입구먼지농도가 높거나 여과속도가 빠른 경우 또는 먼지층이 잘 털어지지 않는 운전조건에서는 대부분 장치의 운전을 지속시키기 위해 탈진조작 빈도를 증가시키거나 탈진용 고압 압축공기를 다량으로 분사하여 탈진조작을 수행하고 있다.

이와 같은 탈진조건의 적용으로 인해 여과포의 세공이 커지게 되며, 이 세공을 통해 먼지입자들이 통과되어 집진효율을 저하하는 요인이 되고 있고, 또한 빈번한 탈진조작으로 인해 여과포와 여과포지지틀(bag cage)과의 접촉 충돌로 여과포가 마모 파손되어 여과포의 수명을 단축하는 요인이 되고 있다.

또한 여과속도를 빠르게 적용하여 설계하면 장치의 규모가 작아지는 장점이 있으나 압력손실이 급격히 증가하게 되므로 느린 여과속도의 적용이 불가피하였다.

이와 같은 여과포 집진장치의 문제점을 근본적으로 해결하여 고효율로 유지하기 위해서는 유입되는 먼지 입자에 정전기력을 부여하여 미세먼지입자의 포집효율을 상승시키고 여과포 표면에 형성된 먼지층의 공극율을 최대한 크게 유지하여 압력손실을 저하시키는 기술의 개발이 절실히 필요하다.

여과포 집진장치에 유입되는 먼지에 정전기력을 가하면 먼지층은 먼지 입자간의 전기적 힘으로 인해 여과포의 표면에 다공질의 수지상 구조(dendritic structure)로 형성된다.

이렇게 형성된 먼지층은 공극율이 높으므로 압력손실을 줄이고 여과포 내로의 먼지입자 침투를 감소시킨다.

또한 먼지입자의 포집에 의한 차단이나 관성충돌 외에 전기적 인력이 추가되므로 미세 먼지입자에 대한 포집효율이 증가하는 효과가 있다.

이와 같은 먼지하전에 의한 여과포집진장치의 성능 향상효과를 이용하여 지금까지 개발된 집진장치와 먼지하전장치가 조합된 전기여과포방식 집진기의 먼지하전장치로는 전극의 형태 및 위치에 따라 1979년 엘. 지. 페릭스 등에 의해 개발된 프리시피테이터 튜브형 먼지하전장치(APITRON), 1982년 디. 더블유. 반오스델등에 의해 개발된 백 케이지형 먼지하전장치(ESFF), 알. 피. 도노반 등에 의해 개발된 유입 덕트 설치형 먼지하전장치, 1984년 반오스델 등에 의해 개발된 직조 방전극형 먼지하전장치, 1986년 에이. 에스. 바이너 등이 개발한 내부 방전극삽입형 먼지하전장치(A-ESFF), 1991년 디. 제이. 헬프리치 등에 의해 개발된 호퍼 내부 설치용 스크린 타입 먼지하전장치 등이 있다.

프리시피테이터 튜브형 먼지하전장치(APITRON)는 여과포와 먼지하전장치가 직렬로 결합된 형태로서 상업적으로 실용화 단계에 있는 장치이기도 하지만 장치의 구조가 복잡하여 여과포의 교체 및 고장시의 수리와 같은 유지 및 보수에 다소 어려움이 발견되었다. 또한 탈진시 먼지 입자가 프리시피테이터 튜브형 내에 재부착하는 문제가 발생하기도 하였다.

여과포 지지틀형 먼지하전장치(ESFF)는 전극이 여과포 지지틀의 구조물과 조합되어 여과포의 안쪽에 위치하는 형식으로 여과포 지지틀의 구조물과 전극을 연결하는 절연부위가 연소가스 조건과 탈진시의 충격에 취약하며, 또한 여과포의 손상을 막기 위해 더 이상의 강한 전계를 형성시킬 수 없다는 단점이 있다.

유입 덕트 설치형 먼지하전장치는 여과포 집진장치의 함진기체 유입구에 와이어형태의 방전극을 삽입한 방식으로서 탈진시 입자 재부착의 염려가 없으며, 또한 기존의 장치를 활용할 수 있고 구조가 간단하여 설치비가 저렴하고 유지 및 보수가 편리한 장점이 있지만 먼지하전장치와 여과포까지의 거리가 멀어 여과포 근방에서 먼지 하전율이 감소하는 단점이 발견되었다.

직조 방전극형 먼지하전장치는 스테인레스 재질의 전극을 여재내에 포함시켜 섬유와 같이 직조한 형태로서 기존 백에 비해 가격이 3배가량 비싸며, 오일의 연소에 의한 슈트나 산의 응집이 발생하면 먼지하전에 의한 효과가 감소하는 등 여과성능이 먼지 종류에 민감하다.

또한 섬유에 손상을 줄 수 있으므로 가해지는 전계를 더욱 크게 할 수 없는 단점이 있다.

내부 방전극 삽입형 먼지하전장치(A-ESFF)는 여과포의 중심부에 스테인레스와이어형태의 방전극을 설치하는 방식으로서 장치의 구조가 간단하고 추가의 설치 면적이 필요치 않지만 고전압 인가에 따른 전극의 잦은 파손과 유지 및 보수의 어려움 등의 단점이 지적되고 있다.

호퍼 내부 설치용 스크린타입 먼지하전장치는 여과포집진장치의 호퍼내부에 와이어 스크린 접지극을 향해 있는 일련의 첨단으로 구성된 스크린형태의 방전극을 삽입한 형식으로서 먼지하전장치가 여과포와 호퍼의 중간에 설치되기 때문에 탈진시 먼지가 먼지하전장치를 지나게 되면서 먼지가 쌓이게 되어 방전효율이 저하되는 문제점이 있다.

이처럼 기존의 전기여과포 집진장치는 미세먼지입자의 집진효율을 높이고 여과포에서의 압력손실을 줄이는 등의 효과가 나타났지만 먼지하전장치의 구조가 복잡하고 기존 여과포집진시설을 새 시설로 대치시켜야 하기 때문에 설치비가 고가로 소요되는 등의 단점이 지적되어 왔다.

즉, 기존 파이프형 먼지하전장치는 파이프의 내부에 한 개의 와이어로 된 방전극을 삽입한 형태로서 전기장 내의 전류강도가 약할 뿐 아니라 이에 따른 전력소모가 컸다.

또한 방전극과 접지극간의 거리를 일정하게 유지시키기 위해 일정한 장력을 가해야 하므로 방전극의 잦은 파손이 문제가 되었다.

따라서 종래의 여과포집진시설을 이용할 수 있으면서 추가의 설치면적을 최소화하고 미세먼지의 집진효율을 향상시킴과 동시에 여과포 교체 및 함진기체 처리 등에 필요한 운전비용을 줄일 수 있는 고효율 먼지하전장치의 개발이 절실히 필요하다.

본 발명장치는 상술한 제반의 문제점을 해결하기 위해 개발한 것으로서, 기존의 전기집진과 여과포집진기술의 원리를 접목한 새로운 집진장치인 전기여과포 집진장치에서 미세먼지입자에 대한 집진효율을 높이고, 여과포의 압력손실을 낮게 유지시켜 여과포의 수명을 연장시킬 수 있는 고효율 먼지하전장치를 개발하여 개발된 장치의 구조 및 그 기술을 제공하고, 최소의 전력소비로 최고의 먼지 하전효율을 달성할 수 있는 방전극 및 접지극의 형상을 결정하여 최적의 조합된 형상 및 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 적은 에너지 소비로 여과포 집진장치의 집진성능을 향상시키고 설치면적을 최소화시킬 수 있는 먼지하전장치의 구조 및 설계기술로 구성된 기술이다.

본 발명 장치의 기술로는 먼지하전장치 내부에 균일한 전기장을 형성시키기 위한 원판(disk)형 코로나 방전극의 구조, 배치 및 조립기술, 먼지하전장치의 외벽 구조의 역할과 동시에 접지극 역할을 하는 원통(pipe)형 접지극, 적은 전력소비로 높은 밀도의 전기장을 형성하여 높은 하전효율을 달성하기 위한 방전극과 접지극의 제원, 유동의 교란을 최소화시키기 위한 방전극 입구형상, 방전극의 지지와 접지극과의 절연을 위한 지지대 구조 등으로 구성되어 있다.

제1도는 원판형 고효율 먼지하전장치의 구조를 개략적으로 도시하는 조립도.

제2도는 원판형 고효율 먼지하전장치의 절연부와 방전극의 조립 형태를 나타내는 단면도.

제3도는 원판형 고효율 먼지하전장치의 방전극 및 절연부를 구성하는 부품도.

제4도는 본 발명의 전기 결선도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

(1) : 유동 유도 원추(flow guide corn)

(2) : 원판형 코로나 방전극(disk type corona discharge electrode)

(3) : 원통형 접지극(pipe type grounded electrode)

(4) : 절연지지체(insulated supporting bar)

(5) : 방전극 간격조절용 파이프 링(pipe ring spacer)

(6) : 고전압 인입선(high voltage lead wire)

(7) : 중심봉

본 발명장치인 원판형 먼지하전장치의 구성품을 첨부도면 도 1에 나타내었다.

원판형 고효율 먼지하전장치의 구성에는 내부에 원판형 코로나 방전극(2)을 배치하여 기존 여과포집진장치의 먼지 유입구에 추가의 설치공간이 필요 없이 손쉽게 부착할 수 있는 구조와 유입덕트인 원통 자체를 접지시킨 원통형 접지극(3)으로 형성시킴으로서 방전극과 접지극과의 간격을 일정하게 하여 균일한 전기장을 형성시키고 적은 전력소비로도 전류밀도를 높일 수 있도록 구성한 원판형 코로나 방전극(2)을 유동방향으로 동심축상에 다수 배치하여 유동의 교란을 최소화시키면서 먼지입자가 반복적으로 하전되게 함으로써 먼지의 하전효율을 극대화시킬 수 있는 구성이며, 상기 구성에 있어서 방전극 삽입에 의한 압력손실을 낮게 유지하고 먼지의 퇴적을 방지하며 최대의 먼지하전효율을 달성할 수 있도록 먼지하전장치의 길이는 1000mm이며, 방전극의 직경은 50mm이며, 방전극간의 거리는 15mm이며, 접지극과 방전극과의 간격은 25mm로 한다.

상기의 먼지하전장치는 첨부도면에 나타낸 것처럼 다수의 스테인레스 재질 원판이 조합된 원판형 코로나 방전극(2)과 원통형 접지극(3), 방전극의 지지 및 접지극과의 절연을 위한 절연지지체(4), 유동의 교란을 줄이기 위해 먼지하전장치 입구의 중심봉(22) 위치에 설치한 유동유로 원추(1)로 구성된다.

각 방전극 사이에는 방전극 간격조절용 파이프링(5)이 삽입설치되고 도 4와 같이 고전압발생 장치의 인가 전원이 고전압인입선(6)에 의해 중심봉(22)에 접촉되어 이 중심봉(22)이 각 원판형 코로나 방전극(2)에 전기적으로 인가되게 되어 있다. 그리고 고전압 발생장치의 접지 전원은 상기한 원통형 접지극(3)과 접지된다.

먼지하전장치는 원통에 A-A'단면도(도 2)와 같이 테프론 재질의 절연지지대 (도 3) 6개에 지지된 중심봉에 SUS 재질의 원판을 B-B'단면도(도 2)와 같이 원통의 중심을 따라 다수 장착한 구조이다.

중심봉에 장착되는 SUS 원판의 간격은 방전극 간격조절용 파이프 링(도 3)에 의해 조절되어 고정된다.

원통형 접지극의 중심에 원판형 코로나 방전극을 삽입시키면 방전극과 접지극의 간격이 일정하게 되므로 방전극과 접지극 사이에 전류밀도가 고른 전기장을 형성시킬 수 있다. 또한 압력손실이 지나치게 커지지 않는 범위 내에서 방전극 직경을 확대시켜 방전극과 접지극 사이의 간격을 줄이면 코로나 개시전압이 낮아지므로 전은 전력소모로도 큰 전류밀도를 얻을 수 있으며, 유속이 증가하여 하전된 먼지가 접지극 표면에 전기적 인력에 의해 부착되는 현상을 방지할 수 있다.

이러한 형태의 방전극을 유체의 흐름방향으로 다수 배치시킴으로써 장치로 유입된 먼지는 수십 회에 걸쳐 전기장을 통과하면서 반복적으로 하전되므로 빠른 유속조건에서도 미세먼지입자의 하전효율이 증가하게 된다.

이처럼 본 발명장치는 사용하고 있는 기존의 장치에 비하여 구조가 간단하고 기존 여과포집진시설을 그대로 이용할 수 있기 때문에 추가의 설치비 및 설치공간을 많이 줄일 수 있으며, 기존의 장치에 비하여 먼지 하전효율은 탁월하게 우수하면서도 전력소비는 현저하게 낮기 때문에 적은 비용으로 미세먼지입자에 대한 집진효율을 향상시킴은 물론 여과포의 수명 연장이 가능하다는 특징을 가지고 있다.

또한 본 발명장치는 장치의 구조적인 시스템 구성 기술과 적은 전력으로 미세먼지입자의 하전효율을 높일 수 있는 구조측면에서 고효율 먼지하전장치 기술개발의 최초의 기술이다.

Claims (2)

1. 먼지하전장치를 구성함에 있어서, 고전압 발생장치의 접지 전원이 접지된 원통형 접지극(3)의 내부에 고전압 발생장치의 인가 전원이 인가된 원판형 코로나 방전극(2)을 유동방향으로 다수 배치하여 기존 여과포집진장치의 먼지 유입구에 부착하는 구조와, 상기 원판형 코로나 방전극(2)은 절연지지체(4)로 지지되고 방전극 간격조절용 파이프링(5)에 의해 간격 유지되게 설치한 것을 특징으로 하는 원판형 고효율 먼지하전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 원판형 코로나 방전극(2)이 삽입되는 먼지하전장치의 길이는 1000mm이며, 원판형 코로나 방전극(2)의 직경은 50mm이며, 각 방전극간의 거리는 15mm이며, 원통형 접지극(3)과 각 방전극과의 간격은 25mm임을 특징으로 하는 원판형 고효율 먼지하전장치.