KR100323128B1 - 전기집진기용 예비 플라즈마 삼산화황 변환 및 분진응집기 - Google Patents

전기집진기용 예비 플라즈마 삼산화황 변환 및 분진응집기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석탄화력발전소, 시멘트, 제철 및 제강 산업에서의 배가스 정화용으로 사용되는 전기집진기용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기에 관한 것으로, 특히 처리대상 분진이 고전기저항인 경우에 역코로나(back corona)에 의해 집진효율이 저하되는 문제를 해결하기 위한 새로운 장치에 관한 것이다.
종래의 해결책인 펄스하전 공급방식, SO3외부주입 방식 및 전기집진기 내부 (+) 플라즈마 방식은 초기설치비의 증대 및 유지, 보수비용의 상승과 (+)극의 하전에 의하여 전기집진기의 음(-)극의 코로나 방전효율을 저하시키는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 이를 해결하기 위해 창안된 것으로, 전기집진기 유입부(60) 덕트 내에 (+),(-)극의 플라즈마 방전장치를 예비적으로 설치하여 배가스 중의 SO2가스중 일부를 SO3또는 황산 미스트로 플라즈마 방전에 의해 변환시켜 공급함으로써, 고전기저항 분진의 전기저항치를 감소시키고, 덕트부에서의 (+),(-) 극성의 하전에 의한 미세분진의 빠른 유속에 의한 혼합, 응집효과에 의한 입경의 조대화를 통한 집진효율을 증대시킬 뿐 아니라 초기 설치비 및 유지비를 절감하고 내구성을 크게 향상시키는 효과를 도모할 수 있다.

Description

전기집진기용 예비 플라즈마 삼산화황 변환 및 분진응집기{Plasma SO3 Pre-converting and Agglomeration System for Electrostatic Precipitators}
본 발명은 석탄화력발전소, 시멘트, 제철 및 제강 산업에서의 배가스 정화용으로 사용되는 전기집진기용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기에 관한 것으로, 특히 처리대상 분진이 미세하고 고전기저항인 경우 역코로나(back corona)에 의해 집진효율이 저하되는 문제를 해결하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 석탄 및 오일 연소 화력발전소, 시멘트, 제철 및 대형 소각로 등의 대규모의 분진 배출 플랜트에서는 전기집진기의 적용이 필수적이다. 더욱이, 최근 분진배출의 농도 및 미세분진에 대한 규제가 강화되는 추세에 따라 전기집진기 효율의 추가적인 향상이 요구되고 있다.
그러나, 1012Ω-cm 이상의 고전기저항을 가지는 분진을 집진하는데 있어서 역전리(back corona) 현상이 발생되어 집진효율을 향상시키는 데 큰 장애가 되어왔으며, 미세분진의 경우에서도 하전효율의 저하 등으로 집진효율이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 따라, 상기 문제점인 역전리 현상을 감소시키기 위해, 종래에는 1)마이크로 펄스하전 장치의 적용방식 2) 화학적인 SO3투입방식 3)전기집진기 내부의 펄스 코로나 플라즈마에 의한 SO3변환방식 등이 실용화되어 적용되었다.
그러나, 펄스하전장치에 있어서는, 종래의 직류 하전장치에 비하여 가격이 3∼4배 높다는 문제가 있었고, SO3투입방식에 있어서도 저장탱크, 배관라인 등의 별도 시설로 인한 높은 설치비가 소요되는 문제점이 있었다.
그리고, 종래의 전기집진기 내부의 플라즈마에 의한 SO3변환방식은, 전기집진기 내부 방전극 전체에서 반응이 일어나므로 대용량용으로 설치될 경우 고전압 나노펄스 하전장치의 실용화가 현실적으로 불가능할 뿐 아니라, 플라즈마부의 (+)펄스에 대하여 전기집진기의 (-)하전이 전기집진기 내부에 설치되면 하전효율이 상실되어 집진효율이 오히려 저하될 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 목적은 전기집진기 유입부의 덕트 내에 (+) 및 (-)의 나노펄스 코로나 플라즈마 방전에 의해 유입가스 중에 존재하는 SO2가스가 SO3또는 H2SO4로 변환되게 함으로써, 궁극적으로 고전기저항 분진의 전기저항이 저하되고 이에 의해 전기집진기 내에서의 역코로나 현상이 감소와 고집진효율을 얻을 수 있는 전기집진기용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기를 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 두번째 목적은, 종래의 펄스하전 설비나 외부 화학적 SO2주입설비 및 전기집진기 내부 플라즈마 반응설비에 비하여 매우 간단하게 구성함으로써 초기 설치비 및 유지비용을 크게 절감할 수 있는 전기집진기용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 세번째 목적은, (+)(-) 극성의 하전으로 입자를 응집화시켜 미세분진의 집진효율을 향상시키는 전기집진기용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기가 전기집진기의 유입부에 설치된 전기집진기를 개략적으로 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기를 도시하는 도면,
도 3은 전기집진기의 전류-전압 특성을 도시하는 도면,
도 4는 분진 입경별 집진효율 특성을 도시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기,
20...나노세컨드 펄스하전 공급장치,
30...전기집진기 본체, 40...보일러,
50...공기예열기, 60...유입부,
70...유출부, 80...굴뚝,
11...방전극, 12...접지극,
13...코팅부.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기집진용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기는, 전기집진기의 유입부에 설치되는 것으로서,(+)(-) 극성의 펄스 하전을 각각 공급하는 펄스하전 공급장치와; 배기 가스의 유동방향과 가로지르는 방향으로 연장되어 있고, 상기 펄스하전 공급장치의 (+) 펄스하전 공급부에 연결되는 양극형성 방전극과; 이 양극(+)형성 방전극에 나란히 설치되어 있으며, 상기 펄스하전 공급장치의 (-) 펄스하전 공급부에 연결되는 음극형성 방전극과; 상기 양극형성 방전극과 음극형성 방전극을 각각 둘러싸는 접지극으로 구성되고,상기 양극형성 방전극, 음극형성 방전극 및 접지극이 배기 가스의 유동방향으로 1개 이상 설치되는 것을 특징으로 한다.
나노펄스 코로나 플라즈마 방전에 의한 SO2의 SO3또는 황산(H2SO4)미스트로의변환은 아래의 반응식 1, 2에 따라 이루어져 입자와 반응하게 된다.
O2, H2O + e- → OH, O (활성화 래디칼 생성)
SO2+ OH, O → SO3또는 H2SO4(삼산화황 또는 황산미스트변환 반응)
다시 말하면, 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기에 내장되어 있는 코로나 방전극에 고전압의 펄스하전이 인가되어, 내부에서 펄스 코로나 플라즈마가 형성되면서 반응식 1에 따라 OH, O 등의 활성 래디칼(radical)이 생성된다. 이러한활성 래디칼은 일반적인 분자반응에 비하여 약 천배 이상의 강한 산화 반응력을 가지므로, 쉽게 반응식 2에 따라 배가스 중의 SO2와 반응하여 SO3또는 황산(H2SO4)미스트로 변환시키게 된다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예인 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 전기집진기 유입부(60)의 덕트에 설치된 보일러(40)의 배가스 처리 설비의 전체 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 보일러(40)의 후단에서 배출되는 플라이애쉬 분진과 SO2를 함유한 배가스는 공기예열기(50)를 통해 온도가 120℃ 부근으로 되어 유입부(60)의 덕트를 통하여 전기집진기 본체(30)로 유입된다.
예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 전기집진기 유입부(60)의 덕트 내부에 설치되고, 나노세컨드(nanosecond)의 펄스하전 공급장치(20)와 연결되어, 배가스 중의 SO2일부를 SO3또는 황산미스트로 변환시킨다. 이러한 SO3의 농도가 일반적으로 10-20ppm이 되면, 유입되는 고전기저항의 분진과 반응하여 전기저항치를 10-100배 이하로 저하시킨다. 이에 의해 전기집진기의 전기특성과 집진특성을 향상시키게 된다. 동시에, 본 발명의 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)는, (+) 펄스하전 공급부와 (-) 펄스하전 공급부(미도시)가 구비된 펄스하전 공급장치(20)를 포함하고 있어, (+) 및 (-) 펄스 방전을 전기집진기의 유입덕트부(60)에서 동시에 국부적으로 발생시는 동시에 입자를 응집화시켜 미세분진의 집진효율의 상승 효과를 가져오며 전기적으로는 전체적 중성화를 이룰 수 있으므로 전기집진기 내부(-) 하전에 영향이 없게 되어 있다. 이를 위해, 상기 펄스하전 공급장치(20)는 (+)(-) 극성의 펄스 하전을 각각 공급하도록 구성되어 있다.
미설명된 부호인 70은 전기집진기 본체(30)의 유출부이고, 80은 정화된 배가스가 대기로 방출되는 굴뚝이다.
도 2에 도시되듯이, 본 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)에는 펄스하전 공급장치(20)(도 1 참조)로부터 펄스하전을 공급받도록 방전극(11)이 설치되어 있다. 이 때, 상기 방전극(11)을 통과하는 미세분진이 (+)와 (-)의 극성을 가지도록 각 방전극(11)은 펄스하전 공급장치(20)와 적절히 연결될 것이 필요하다.이를 위해, 상기 방전극(11) 중 양극형성 방전극(11')은, 배기 가스의 유동방향과 가로지르는 방향으로 연장되어 있고, 상기 펄스하전 공급장치(20)의 (+) 펄스하전 공급부에 연결된다. 그리고, 음극형성 방전극(11')은 상기 양극형성 방전극(11')과 나란히 설치되어 있으며, 상기 펄스하전 공급장치(20)의 (-) 펄스하전 공급부에 연결되어 있다. 또한, 여기서 (+)(-) 극성의 미세 분진이 균일하게 응집되도록 하기 위해서, 음극형성 방전극(11')을 양극형성 방전극(11')에 이웃하도록 구성하는 것이 바람직하다.또한, 접지극(12)이 상기 양극형성 방전극(11')과 음극형성 방전극(11')을 각각 둘러싸도록 구성되어 있다. 이와 같이, 상기 양극형성 방전극(11')과 음극형성 방전극(11')의 쌍(雙) 및 접지극(12)으로 구성된 세트(set)가 배기 가스의 유동방향으로 1개 이상 설치되어 있다.여기서, 상기 접지극(12)의 판 간격은 바람직하게는 30mm이며, 플라즈마 방전극(11)은 바람직하게는 전기집진기의 방전극과 동일한 4mm×4mm의 사각 방전극으로 마름모꼴로 설치되어, 12kV이내의 낮은 인가전압에서도 원활한 반응이 일어난다. 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)의 두께는 바람직하게는 50mm 이므로, 종래의 집진기 덕트에 설치가 용이하게 된다. 테프론 코팅부(teflon coating)(13)가 플라즈마 방전극(11)의 상, 하 끝부분에 설치되어, 이 끝부분에서 이상적(異常的)인 코로나 방전이 예방된다.
도 3, 4는 본 발명의 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기와 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가되지 않은 전기집진기에 있어서, 본 발명자의 실험결과에 따른 전기특성과 집진특성이 각각 도시되어 있다.
일반적으로 전기집진기에서 전압-전류 특성 곡선은 역전리 현상을 포함한 전반적인 전기특성을 가장 잘 나타내어 준다. 도 3에 도시된 전기집진기의 전압-전류 특성은 집진판 간격 400mm, 120℃에서 운전되는 전기집진기에 관한 것이다.
역전리 현상이 없는 낮은 전압영역에서는 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기의 전류가 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가되지 않은 전기집진기의 전류보다 높게 나타나는데, 이는 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기에서는 SO3에 의해 분진의 비저항이 낮아져 코로나 전류를 원활하게 흘려주기 때문이다.
그러나, 전압이 높게 인가될 경우에 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가되지 않은 전기집진기에서는 고저항 분진이 벽면에 부착하게 되고, 이에 의해 역전리 현상이 발생하게 된다. 이러한 역전리 현상으로 급격한 전류의 증가 현상이 나타나게 된다.
따라서, 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기에서는 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가되지 않은 전기집진기에 비하여 계속적으로 안정된 전압-전류 곡선을 가지게 되며, 높은 인가전압의 영역에서도 안정된 전류를 가지게 된다.
또한, 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기에서는 집진기 본체(30)에 더욱 더 높은 전압을 인가할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 최대 인가전압인 스파크(spark) 전압도 상승한다는 것을 알 수 있다.
요약하자면, 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기는 종래에 발생하였던 분진 부착층의 증가로 인한 역전리 현상을 감소시킨다는 것을 알 수 있다.
도 4에는 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기와 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가되지 않은 전기집진기로 나누어, 각각에 대해 APS(Aerodynamic Particle Sizer)에 의하여 측정한 실험결과를 분진 입경별 집진효율로 도시하고 있다. 도면에서와 같이, 분진입경의 전 범위에 대하여 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)가 부가된 전기집진기의 집진 효율이 상승되는 효과가 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명을 상기 실시예를 통하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 당업자의 통상의 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면 전기집진용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기(10)에 의해 발생되는 SO3또는 황산(H2SO4)미스트는 고전기저항 분진의 전기저항치를 감소시키고 역코로나(back corona)를 억제하여 전기적 특성을 향상시키며, (+)(-) 극성의 하전에 의한 미세입자의 응집효과로 집진효율이 증대되는 효과가 있다. 또한, 종래의 펄스하전 설비, 외부 SO3주입설비 및 전기집진기 내부 플라즈마 반응설비에 비하여 매우 간단하기 때문에 초기 설치비를 90% 이상 줄일 수 있는 장점은 물론이거니와 유지 비용의 측면에서도 매우 높은 경제성을 가진다는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 전기집진기의 유입부(60)에 설치되는 전기집진용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기에 있어서,
    (+)(-) 극성의 펄스 하전을 각각 동시에 공급하는 펄스하전 공급장치(20)와;
    배기 가스의 유동방향과 가로지르는 방향으로 연장되어 있고, 상기 펄스하전 공급장치(20)의 (+) 펄스하전 공급부에 연결되는 양극형성 방전극(11')과;
    이 양극형성 방전극(11')과 나란히 설치되어 있으며, 상기 펄스하전 공급장치(20)의 (-) 펄스하전 공급부에 연결되는 음극형성 방전극(11')과;
    상기 양극형성 방전극(11')과 음극형성 방전극(11')을 각각 둘러싸는 접지극(12)과:로 구성되고,
    상기 양극형성 방전극(11'), 음극형성 방전극(11') 및 접지극(12)은 배기 가스의 유동방향으로 1개 이상 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기집진용 예비 플라즈마 SO3변환 및 분진응집기.
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