KR100998938B1

KR100998938B1 - 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법

Info

Publication number: KR100998938B1
Application number: KR1020080116231A
Authority: KR
Inventors: 박석주; 임경수; 임정환
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-12-09
Also published as: KR20100057267A

Abstract

본 발명은 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 합성가스에 다량 함유되어 있는 분진과 같은 입자상 물질을 제거하기 위한 집진장치에는 집진쳄버 내벽과 일정폭 이격 설치된 차단관 내에 세라믹캔들필터를 다수 설치하고, 합성가스를 집진쳄버 내부로 유입하는 유입구는 집진쳄버의 접선면과 수직면에 각각 형성하여, 필터 표면의 기공이 노출되어 있는 시점에는 수직유입구를 통해 합성가스를 직접 세라믹캔들필터 표면에 공급하여 입자크기가 큰 분진들을 포함한 분진층이 필터 표면에 형성되도록 하고, 필터 표면에 기공을 충분히 덮는 분진층이 형성된 이후에는 수직유입구를 차단하고 접선유입구로 합성가스를 유입시켜 차단관 외벽과 집진쳄버 내벽에 입자크기가 큰 분진들을 부착 제거한 후 미세 분진들이 필터 표면 위에 미리 형성된 분진층 위에 부착되어 필터링이 이루어지게 함으로써 미세분진들의 필터 표면 기공 내부로의 침투로 인한 세라믹캔들필터의 기공 막힘 현상을 최소화하여 필터의 집진효율과 탈진효율을 증가시키면서 동시에 탈진횟수를 줄여 필터의 수명을 연장시킬 수 있는 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법에 관한 것이다.

집진장치, 운전방법, 세라믹캔들필터, 합성가스,

Description

세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법{Operation Method for Filtration Apparatus with Ceramic Candle Filter}

석탄가스화 복합발전(IGCC)과 같은 고온고압의 합성가스를 이용한 발전공정에서는 합성가스 내에 함유되어 있는 분진과 같은 입자상물질로 인한 다양한 문제점들이 발생되고 있다. 가스화장치에서 발생된 고온고압의 합성가스는 미세한 입자상물질을 다량 함유하고 있어서, IGCC 공정 후단에 위치하고 있는 터빈 또는 연료전지 등의 장치의 부식과 침식으로 인한 하부 장치들의 수명 단축이 야기될 수 있기 때문에 합성가스 내의 입자상물질의 농도를 1 ppm 이하로 낮출 수 있는 집진시스템이 요구된다.

현재 상용 IGCC 발전공정에 적용되고 있는 대표적인 대용량 집진시스템으로는 미국 Pinon Pine과 Wilsonville 그리고 네덜란드 Buggenum에 설치된 집진장치를 대표적 사례로 들 수 있다. 상기 대용량 집진장치에는 직경 60 mm, 길이 1500 mm의 세라믹 캔들 필터 수백 개가 설치되며, 이들 개별필터에 대한 집진과 탈진이 용이하게 이루어지도록 다수의 필터를 다발로 묶는 방식의 클러스터링 기법이 사용된다. Buggenum의 집진장치에는 48개의 필터로 이루어진 18개의 클러스터가 병렬 방식으로 총 864개의 세라믹 캔들 필터가 설치되어 있다. 각 클러스터에는 대형 벤츄리가 설치되어 원활한 필터의 탈진이 가능하게 하였다.

상기 종래 집진장치는 운전에 있어서 타르 (tar) 층 부착, 분진 브리징 (bridging), 필터 파손 등의 문제점을 갖고 있다. 일예로 필터에 촤(char)가 부착되고 탈진에 의해서도 제거되지 않을 경우 촤분진층이 필터 사이에서 성장하여 촤 브리지를 형성하고, 이 촤 브리지가 집진용기 내에서 합성가스나 탈진가스의 흐름을 방해하여 필터의 차압을 상승시키게 된다. 상기 차압의 상승을 억제하기 위해서는 반복적인 탈진공정이 필요하며, 상기 탈진은 저온가스에 의해 이루어짐으로 탈진과정이 필터에 열피로를 누적시켜 필터의 파손을 초래하게 된다.

따라서, 상기 집진장치의 문제점을 해소하기 위해 본 발명자는 '화학공학 46권 5호'에서 새로운 IGCC용 집진시스템을 제시하였다. 상기 시스템은 집진쳄버 내에 다수의 세라믹캔들필터를 장착하고, 합성가스를 유입시키는 유입구를 집진쳄버의 접선면과 수직상부면 두 부분에 각각 형성하되, 상기 접선유입구로 유입되는 합성가스는 집진쳄버 내벽과 세라믹캔들필터 사이에 설치된 차단관에 의해 직접 세라믹캔들필터로 공급되는 것을 차단하고, 수직유입구는 합성가스를 직접 세라믹캔들필터로 공급하도록 집진쳄버의 상부 격벽 중앙에 위치하는 방식의 집진시스템이다.

그러나, 상기 차단관이 형성된 집진시스템은 탈진성능을 극대화시키기 위하여 어느 정도의 차압에 도달할 때까지 합성가스의 유입을 수직유입구로 공급하여 세라믹캔들필터 표면에 큰 입자를 포함한 분진층을 어느 정도 형성해야 되는지에 대한 운전방법에 대한 연구가 필요하다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법은,

고온고압의 합성가스를 이용한 발전공정에서 합성가스 내에 함유되어 있는 입자상 물질을 집진하도록 하단에 호퍼가 구비된 집진하우징과, 상기 집진하우징 내에 설치되어 하부의 집진쳄버와 상부의 청정가스쳄버로 구획하는 격벽과, 상기 격벽의 저면에 설치되어 필터링한 가스를 청정가스쳄버로 통과시키는 다수의 세라믹캔들필터와, 상기 격벽의 저면에 설치되고 다수의 세라믹캔들필터를 내포하는 차단관과, 상기 세라믹캔들필터에 탈진가스를 분사하도록 청정가스쳄버에 설치되는 벤츄리와, 상기 3way 밸브로 분기되어 일측관은 집진쳄버의 원통벽면과 연통되고 타측관은 격벽의 중앙에 연통되어 세라믹캔들필터 사이에서 하향분사가 이루어지게 하는 접선유입구 및 수직유입구로 구성되어 합성가스를 집진쳄버로 공급하도록 하는 집진장치의 운전방법에 있어서, 입자크기가 큰 분진물질이 포함된 합성가스를 수직유입구를 통해 세라믹캔들필터 사이로 분사하여 세라믹캔들필터에 입자크기가 큰 분진물질이 포함된 분진층이 형성되도록 하는 분진층형성단계와; 상기 수직유입구을 차단하고 접선유입구를 통해 합성가스를 공급하고, 공급된 합성가스는 집진쳄버 내벽과 차단관 사이를 선회하면서 큰 분진 입자들은 벽면에 충돌 부착되어 제거되고 나머지 미세 분진 입자들은 하강하여 차단관의 하단에서 중앙으로 유입되어 세라믹캔들필터를 통해 필터링이 이루어지는 집진단계와; 상기 벤츄리를 통해 탈진가스를 분사하여 세라믹캔들필터에 집진된 분진들을 필터 표면으로부터 탈진시키는 탈진단계와; 상기 집진쳄버의 하단에 형성된 호퍼밸브를 개방하여 집진하우징 하부에 모인 분진을 하부의 호퍼로 배출시는 분진배출단계와; 상기 수직유입구를 통해 합성가스를 재유입시켜 분진층이 형성되도록 하는 순환단계를 포함하여 이루어지되, 상기 분진층형성단계와 집진단계 사이에는 집진쳄버와 청정가스쳄버 사이의 압력 차이가 탈진개시차압의 10~30% 일 때 집진쳄버로 유입되는 합성가스의 경로를 수직유입구에서 접선유입구로 변경하는 차압에 의해 유입경로를 변경하는 단계;가 더 이루어진다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법은,

합성가스에 다량 함유되어 있는 입자상 물질을 제거하기 위한 집진장치에는 집진장치 내벽과 일정폭 이격 설치된 차단관 내에 세라믹캔들필터를 다수 설치하고, 합성가스를 집진장치 내부로 유입하는 유입구는 집진쳄버의 원통벽면과 격벽의 중앙에 각각 형성하여, 필터 표면에서의 분진층 형성 초기단계에는 수직유입구를 통해 합성가스를 직접 세라믹캔들필터 표면에 공급하여 입자크기가 큰 분진들을 포함한 분진층이 형성되도록 하고, 특정 두께의 분진층이 형성된 이후에는 수직유입구를 차단하고 접선유입구로 합성가스를 유입시켜 차단관과 집진쳄버 내벽 사이에서 발달되는 선회 유동에 의하여 큰 분진들을 벽면 충돌 부착에 의하여 제거한 후 제거되지 않은 미세 분진들이 필터 표면에 도달하여 필터링이 이루어지게 함으로써 미세분진으로 인한 세라믹캔들필터 표면기공의 막힘 현상을 최소화하여 집진 및 탈진 효율을 향상시키고 동시에 탈진횟수를 줄여 필터의 수명을 연장시킬 수 있는 유용한 운전방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조한 바와 같이 본 발명에 사용되는 집진장치(10)는 격벽(50)에 의 해 상부의 청정가스쳄버(40)와 하부의 집진쳄버(30)로 구획된 집진하우징(20)과, 상기 격벽의 저면에 다수 설치된 세라믹캔들필터(31)와, 상기 격벽의 저면에 결합되는 관체로 세라믹캔들필터를 내포하면서 집진쳄버 내부 벽면과는 이격설치된 차단관(32)과, 상기 청정가스쳄버에 설치되어 세라믹캔들필터에 탈진가스를 분사하는 벤츄리(42)와, 상기 집진쳄버로 합성가스를 유입시키기 위해 집진쳄버의 원통벽면과 접하게 연통된 접선유입구(34) 및 격벽 중앙에 설치되어 세라믹캔들필터들 사이로 하방분사가 이루어지는 수직유입구(33)와, 상기 접선유입구와 수직유입구를 선택적으로 개폐하기 위한 3way밸브(35)를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 집진장치의 운전방법으로는 도 1과 2를 참조한 바와 같이 먼저 분진층형성단계(S1)가 이루어진다. 상기 단계는 미세분진들과 입자크기가 큰 분진들이 혼합되어 있는 합성가스를 수직유입구(33)를 통해 집진쳄버(30)의 세라믹캔들필터(31)에 직접 공급하게 함으로써 세라믹캔들필터의 표면에 큰 입자의 분진들을 포함한 분진층이 형성되게 한 것이다.

다음으로 세라믹캔들필터(31)의 차압이 탈진을 개시하기 위한 차압의 10~30%가 되었을 때 3way밸브(35)를 조작하여 수직유입구(33)의 유로를 차단하고 접선유입구(34)의 유로를 개방하여 합성가스가 접선유입구를 통해 집진쳄버(30)로 유입되도록 하는 차압에 의해 유입경로를 변경하는 단계(S6)가 이루어지게 함으로써 큰 분진입자들은 차단관(32)과 집진쳄버(30)의 내벽면 사이에서 발달되는 선회유동에 의하여 차단관(32) 외벽면과 집진쳄버(30) 내벽면에 충돌 부착되어 제거되고 나머지 미세분진들이 필터로 전달되어 본격적인 집진이 이루어지는 집진단계(S2)를 수행하게 한다. 여기서 상기 합성가스의 유입경로 변경이 탈진개시 차압의 10% 이하일 경우에는 세라믹캔들필터의 표면에 분진층의 형성이 완벽하게 이루어지지 않은 상태에서 이후 집진단계(S2)의 미세분진들이 필터의 기공을 막아 차압이 급격하게 증가됨으로 인하여 분진층형성단계(S1)에서 형성된 분진층에 의한 필터 표면기공 막힘 방지 효과를 충분히 얻을 수 없으므로, 최소한 10~30% 이상의 차압에 도달할 때 유로 변경이 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 집진단계(S2)에서 접선유입구(34)로 유입된 합성가스는 차단관(32)의 외벽과 집진쳄버(30) 내벽 사이의 공간에서 접선방향으로 유동이 이루어진다. 따라서, 상기 차단관과 집진쳄버 내벽 사이를 선회하면서 하강하게 되며, 이러한 과정에서 합성가스에 포함되어 있는 큰 분진 입자들은 차단관 외벽과 집진쳄버 내벽에 충돌 부착하여 제거된다. 상기 부착 제거된 분진들은 덩어리화되어 중력에 의하여 자유낙하되며, 낙하된 분진들은 집진쳄버의 하부에 포집된다. 이와 같은 선회하는 가스 유동에 의한 큰 분진입자들의 벽면으로의 충돌 부착에 의하여 상대적으로 큰 분진입자들의 농도가 낮은 상태의 합성가스가 차단관(32)의 하단을 통해 집진쳄버(30)의 중앙으로 유입되어 세라믹캔들필터(31)에 도달하여 필터링이 이루어지게 된다.

상기 집진단계(S2)를 통하여 세라믹캔들필터에 분진들이 과다하게 집진되어 차압이 증가되면 세라믹캔들필터에 집진된 분진을 제거하기 위한 탈진단계(S3)가 수행된다. 상기 단계는 청정가스쳄버(40)에 위치하는 다수의 벤츄리(42)에 의해 이 루어지는데 상기 벤츄리는 탈진가스저장조(44)로부터 탈진가스를 유입받아 세라믹캔들필터(31)의 내부에서 외부로 분사하게 함으로써 필터 표면에 집진된 분진을 탈거시킨다. 이러한 탈진은 특정 차압 값에 차압이 도달될 때 발생되는 것으로, 집진쳄버(30)와 청정가스쳄버(40) 사이의 차압을 측정하는 차압계의 측정값이 설정 차압이 될 경우 탈진가스저장조(44)의 탈진가스가 벤츄리로 이동하는 유로 상에 설치된 밸브(43)를 개방하여 탈진이 이루어지도록 한다. 즉, 상기 집진쳄버(30)와 청정가스쳄버(40) 사이의 차압을 측정하기 위하여 설치되는 차압계의 측정값에 따라 탈진가스를 공급하는 유로상에 설치된 밸브(43)를 조작하여 탈진가스 공급유무를 판단하도록 한다.

예컨대, 상기 세라믹캔들필터의 탈진개시는 필터 표면 여과속도가 1~3 cm/s일 때 분진들이 부착된 필터에 의한 차압이 1000~3000 mmH₂O일 경우 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탈진단계가 수행되면 탈진된 분진은 집진쳄버(30)의 하부에 포집된 후, 호퍼밸브(61)를 개방하여 하부의 호퍼(60)로 분진을 배출시키는 분진배출단계(S4)가 수행된다. 즉, 상기 세라믹캔들필터(31)에 집진된 분진들과 차단관(32)에 의하여 부착 제거된 분진들은 집진쳄버(30)의 하부에 포집되는데 상기 집진쳄버(30)의 하부를 상광하협의 깔대기 형상으로 형성함으로써, 호퍼밸브(61) 개방시 하부의 호퍼(60)로 용이하게 배출이 이루어지도록 한다.

상기 분진의 배출이 완료되면 호퍼밸브(61)는 차단되고, 합성가스를 집진쳄버(30)로 재공급하는 순환단계(S5)가 수행된다. 상기 단계는 3way밸브(35)를 조작하여 합성가스가 수직유입구(33)를 통해 집진쳄버(30)로 유입시키는 초기시동과 동일한 공정으로 세라믹캔들필터(31)에 분진층을 형성하도록 하는 등 상술된 각 단계를 재차수행하도록 한다.

이와 같은 각 단계를 통해, 탈진 직후 필터 표면에 분진층이 형성되기 시작하는 집진 초기 단계에는 수직유입구(33)를 통하여 합성가스를 유입시킴으로써 입자크기가 큰 분진들의 농도가 높은 합성가스를 세라믹캔들필터에 직접 전달 부착하여 세라믹캔들필터에 분진층을 형성시켜 세라믹캔들필터의 표면 기공들이 미세분진에 의하여 막히는 현상을 최소화하고, 세라믹캔들필터 표면에 특정한 두께의 분진층이 형성되고 나면 접선유입구(34)를 통하여 합성가스를 유입시킴으로써 필터로의 분진들의 부착량을 저감시켜 필터 표면에 부착되는 분진에 의한 차압 증가 속도를 낮춤으로써 탈진주기를 길게 하여 세라믹캔들필터의 수명을 연장시키도록 한 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 운전방법에 사용되는 집진장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 운전방법의 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 집진장치

20 : 집진하우징

30 : 집진쳄버

31 : 세라믹캔들필터 32 : 차단관 33 : 수직유입구

34 : 접선유입구 35 : 3way밸브

40 : 청정가스쳄버

41 : 배출구 42 : 벤츄리 43 : 밸브

44 : 탈진가스저장조

50 : 격벽

60 : 호퍼

61 : 호퍼밸브

Claims

고온고압의 합성가스를 이용한 발전공정에서 합성가스 내에 함유되어 있는 입자상 물질을 집진하도록 하단에 호퍼(60)가 구비된 집진하우징(20)과, 상기 집진하우징 내에 설치되어 하부의 집진쳄버(30)와 상부의 청정가스쳄버(40)로 구획하는 격벽(50)과, 상기 격벽의 저면에 설치되어 필터링한 가스를 청정가스쳄버로 통과시키는 다수의 세라믹캔들필터(31)와, 상기 격벽의 저면에 설치되고 다수의 세라믹캔들필터를 내포하는 차단관(32)과, 상기 세라믹캔들필터에 탈진가스를 분사하도록 청정가스쳄버에 설치되는 벤츄리(42)와, 3way 밸브로 분기되어 일측관은 집진쳄버의 원통외벽에 접하게 연통되고 타측관은 격벽 중앙에 연통되어 세라믹캔들필터 사이에서 하향분사가 이루어지게 하는 접선유입구(34) 및 수직유입구(33)로 구성되어 합성가스를 집진쳄버(30)로 공급하도록 하는 집진장치(10)의 운전방법에 있어서,

입자크기가 큰 분진들과 미세분진들이 함께 부유된 합성가스를 수직유입구(33)를 통하여 세라믹캔들필터(31)로 분사하여 세라믹캔들필터에 큰 분진 입자들이 포함된 분진층이 형성되도록 하는 분진층형성단계(S1)와;

상기 수직유입구(33)를 차단하고 접선유입구(34)를 통해 합성가스를 공급하고, 공급된 합성가스는 집진쳄버 내벽과 차단관 사이를 선회하면서 하강하여 차단관(32)의 하단에서 중앙으로 유입되어 세라믹캔들필터(31)를 통해 필터링이 이루어지는 집진단계(S2)와;

상기 벤츄리(42)를 통해 탈진가스를 분사하여 세라믹캔들필터에 집진된 분진을 탈진시키는 탈진단계(S3)와;

상기 집진쳄버의 하단에 형성된 호퍼밸브(61)를 개방하여 탈진된 분진을 하부의 호퍼(60)로 배출시는 분진배출단계(S4)와;

상기 수직유입구(33)를 통하여 합성가스를 재유입시켜 분진층이 형성되도록 하는 순환단계(S5);를 포함하여 이루어지되,

상기 분진층형성단계(S1)와 집진단계(S2) 사이에는 집진쳄버(30)와 청정가스쳄버(40) 사이의 압력 차이가 탈진개시차압의 10~30% 일 때 집진쳄버(30)로 유입되는 합성가스의 경로를 수직유입구(33)에서 접선유입구(34)로 변경하는 차압에 의해 유입경로를 변경하는 단계(S6);가 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법.
제1항에 있어서,

탈진단계(S3)는 필터 표면 여과속도가 1~3 cm/s일 때 분진들이 부착된 필터에 의한 차압이 1000~3000 mmH₂O일 경우 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 세라믹캔들필터가 구비된 집진장치의 운전방법.
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