KR20020089174A - 터빈용 흡기 필터 여과재 - Google Patents

터빈용 흡기 필터 여과재 Download PDF

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KR20020089174A
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Abstract

터빈용 흡기 필터 여과재는 하나 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌 다공질막 및 하나 이상의 통기성 지지재를 포함하고, l00 내지 300㎩의 압력 손실 및 15 이상의 PF 값을 나타낸다. 폴리테트라플루오로에틸렌 다공질막은 바람직하게는 70 내지 250㎩의 압력 손실 및 18 이상의 PF 값을 나타낸다.

Description

터빈용 흡기 필터 여과재{TURBINE AIR FILTER MEDIA}
본 발명은 발전소에 설치되는 가스 터빈이나 증기 터빈과 같은 터빈의 흡기측에 사용되는, 공기 및 기체 중의 부유 입자의 포집에 적합한 필터 여과재에 관한 것이다.
결합제와 혼합된 유리 섬유로 제조된 페이퍼 필터 여과재로서 제공되는 유리 섬유 필터 여과재, 또는 폴리프로필렌(PP) 섬유의 부직포로 제조된 일렉트렛(electret) 필터 여과재로서 제공되는 플로프로필렌 필터 여과재가, 가스터빈의 흡기측에 사용되는 필터 여과재로서 사용되어 왔다. 이러한 필터 여과재는 몇몇 문제점이 있다. 예컨대, 유리 섬유 필터 여과재는 필터 여과재 자체에 부착된 소섬유를 함유하여, 굽혀질 때 소섬유가 분진으로서 생성되는 자기 분진발생 특성을 갖는다. 유리 섬유는 필터로부터 떨어져 터빈내에 들어가, 팬에 부착된다. 미소 입자가 터빈내로 들어가면, 가스 터빈의 열 효율은 저하된다. 따라서, 자기 분진발생 특성이 없고, 입자 포집 효율이 보다 높은 흡기용 필터 여과재가 요구되고 있다. 한편, 연소에 필요한 공기를 터빈으로 취입하는데 필요한 동력 비용을 저감시키기 위해서, 흡기용 필터의 압력 손실을 저하시킬 필요가 있다. 그러나, 유리 섬유 필터 여과재는 입자 포집 효율과 압력 손실 사이의 밸런스를 나타내는 척도인 PF(Performance of Filter) 값이 낮기 때문에, 연소 효율의 향상과 동력 비용의 저감을 양립시키기 어려운 문제가 있다.
필터 여과재는 포집된 분진으로 막히기 때문에, 가스 터빈의 작동시 시간이 경과함에 따라 압력 손실은 증가한다. 물 등을 사용한 필터 여과재의 세정이 막힌 필터 여과재를 재사용하는데 효과적이다. 그러나, PP 섬유의 일렉트렛 필터 여과재는 내수성이 약하기 때문에, 세정시 필터 여과재의 성능이 대폭 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 터빈의 오염이 없고, 입자 포집 효율이 높고, 압력 손실이 낮고, 성능의 악화를 억제하면서 세정에 의해 재사용할 수 있는 터빈용흡기 필터 여과재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따라 하나 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌(이후부터는 "PTFE"로 약칭함) 다공질막 및 하나 이상의 통기성 지지재를 포함하고, 100 내지 300㎩의 압력 손실 및 15 이상의 PF 값을 나타내는 터빈용 흡기 필터 여과재가 제공된다.
PF 값은 하기 수학식 1에 의해 결정되는 수치이다.
상기 수학식 1에 있어서, L은 압력 손실[mmH2O]이고, E는 입자 포집 효율[%]이다. 압력 손실(L)은 선속도 5.3㎝/초에서 취해진 수치이다. 입자 포집 효율은 0.1 내지 0.2㎛의 입자 크기 범위를 갖는 입자에 대해 취해진 수치이다.
본 발명에 따른 필터 여과재에서는, 70 내지 250㎩의 압력 손실 및 18 이상의 PF 값을 나타내는 PTFE 다공질막을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징 및 이점은, 첨부된 도면과 함께 기술된 바람직한 실시태양의 하기의 상세한 설명으로부터 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 여과재의 실시태양을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시태양에서의 세정 회수와 압력 손실의 관계를 나타내는 그래프이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: PTFE 다공질막2: 통기성 지지재
본 발명의 바람직한 실시태양을 하기에서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 여과재의 예를 도시하는 단면도이다. PTFE다공질막(1)의 상하에 한쌍의 통기성 지지재(2)가 배치되어 있다.
각각의 통기성 지지재(2)가 보강재로서 기능할 수 있다면, 이의 재질, 구조 및 형태는 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는, PTFE 다공질막보다 통기성이 우수한 재료를 통기성 지지재(2)로서 사용할 수 있다. 예컨대, 펠트, 부직포, 직포 또는 메시(그물상 시트)와 같은 다공질 재료를 사용할 수 있다. 특히, 강도, 입자 포집성, 유연성 및 작업성의 면에서는 부직포가 바람직하다. 사용되는 부직포는 이를 구성하는 섬유의 일부 또는 전부가 코어-외피(core-sheath) 구조를 갖되, 코어 성분이 외피 부분보다 융점이 높도록 형성된 복합 섬유로 구성될 수도 있다. 또한, 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)), 폴리아미드, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)), 방향족 폴리아미드 또는 이들의 복합재를 통기성 지지재의 재료로서 사용할 수 있다.
PTFE 다공질막(1)은 자체적으로 발수성을 갖기 때문에, 세정에 의한 재사용에 적합하다. PTFE 다공질막을 제조하는 방법을 하기에서 설명한다. 우선, PTFE 미세 분말에 액상 윤활제를 첨가한 페이스트형 혼합물을 예비성형한다. PTFE 미세 분말은 특별히 제한되지 않는다. 시판되는 제품을 TPFE 미세 분말로서 사용할 수도 있다. PTFE 미세 분말의 표면을 적실 수 있어 추출 또는 가열에 의해 제거될 수 있다면 임의의 적합한 물질을 액상 윤활제로서 사용할 수 있다. 예컨대, 액상 파라핀, 나프타 또는 화이트 오일과 같은 탄화수소를 액상 윤활제로서 사용할 수 있다. 혼합되는 액상 윤활제의 양은 PTFE 미세 분말 100 중량부에 대하여 약 5 내지 약 50 중량부가 바람직하다. 상기 예비성형은 액상 윤활제가 짜내지지 않는 정도의 압력하에 실행된다.
그 다음, 예비성형된 혼합물을 페이스트 추출이나 압연에 의해 시트상으로 성형한다. 그 다음, PTFE 성형체를 적어도 1축 방향으로 연신하여 다공화한다. 또한, PTFE 성형체의 연신은 액상 윤활제를 제거한 후 실행하는 것이 바람직하다. 상기 액상 윤활제의 제거는 바람직하게 가열법 또는 추출법에 의해 실행할 수도 있다.
시트형 성형체의 길이 방향으로의 연신 배율이 증가할수록 다공질막의 피브릴화(fibrillation)가 촉진된다. 연신성의 면에서 연신 배율은 8 내지 30배의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 연신시 온도는 일반적으로 150 내지 327℃의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 2축 연신의 경우, 길이 방향으로의 연신 배율 및 연신 온도를 상기 바람직한 범위로 설정하는 반면, 가로 방향으로의 연신 배율 및 연신 온도는 각각 4 내지 40배 및 25 내지 150℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
연신한 PTFE 다공질막은 미소성 상태에서는 강도가 약하다. 따라서, 연신한 PTFE 다공질막은 가열하는 것이 바람직하다. 가열 온도는 PTFE 소성체의 융점 이상, 예컨대 350 내지 450℃의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 가열 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, PTFE 다공질막에 대해 열풍을 내뿜는 방법 또는 고온 화로를 통해 PTFE 다공질막을 통과시키는 방법을 가열 방법으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 필터 여과재의 압력 손실 및 PF 값은 PTFE 다공질막의 특성에 의크게 좌우된다. PTFE 다공질막의 특성은 사용되는 원료, 및 제작 공정시의 압연 방법 및 연신 방법에 의해 영향받는다. 이들 조건을 적절히 조정하여 제작되고, 70 내지 250㎩의 압력 손실 및 18 이상의 PF 값을 나타내는 PTFE 다공질막은 터빈용 흡기 필터 여과재에서 바람직하게 사용될 수 있다.
통기성 지지재(2) 및 PTFE 다공질막(1)의 적층 방법은 특별히 한정되지 않는다. 단지 이들이 서로 중첩되기만 할 수도 있다. 또한, 접착제를 사용한 적층법 또는 열을 이용한 적층법을 적용할 수도 있다. 예컨대, 열 적층법의 경우는, 가열에 의해 통기성 지지재를 부분적으로 용융시켜 접착 적층을 달성하거나 고온 용융 분말과 같은 융착제를 개재시켜 접착 적층을 달성할 수 있다.
도 1은 예로서 제공된 것으로, 본 발명에 따른 필터 여과재의 구성이 이에 한정되지는 않는다. 예컨대, 특성이 서로 동일하거나 상이할 수 있는 2층 이상의 PTFE 다공질막을 배치할 수도 있다. 예컨대, 하나의 통기성 지지재를 PTFE 다공질막의 상류측 및 하류측 중 한 측면에 배치할 수도 있다.
본 발명에 따른 흡기 필터 여과재의 총 두께는 0.1 내지 10㎜, 특히 0.1 내지 2.0㎜, 더욱 특히 0.2 내지 1㎜의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 필터 여과재가 너무 두꺼우면, 압력 손실이 높아지거나 플리팅(pleating) 가공성이 불량해질 수 있다. 필터 여과재가 너무 얇으면 강성이 저하될 수 있다.
본 발명은 하기에서 실시예에 의해 보다 상세하게 하기에서 기술될 것이다. 하기 실시예 및 비교예 각각에서 수득된 필터 여과재 및 PTFE 다공질막의 각각의 특성은 다음과 같이 측정된다.
압력 손실
샘플을 유효 면적 100㎠의 원형 홀더에 세팅하고, 상류측과 하류측 사이에 압력차를 부여하여, 샘플의 투과 속도를 유량계에 의해 측정된 값으로서 5.3cm/초가 되도록 조정하였다. 상기 조건에서, 압력 손실을 압력계(마노미터(manometer))로 측정하였다. 측정은 샘플 당 10개의 지점에서 수행되었다. 측정값의 평균을 샘플의 압력 손실로서 평가하였다.
입자 포집 효율
압력 손실 측정에서 사용된 것과 동일한 장치를 사용하여 각 샘플의 투과 속도를 5.3 ㎝/초로 조정하였다. 상기 조건에서, 상류측에 다분산 디옥틸 프탈레이트(DOP)를, 0.1 내지 0.2㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 입자의 농도가 약 108개/L 이상이 되도록 공급하였다. 상류측의 입자 농도와 샘플을 투과해 온 하류측의 입자 농도를 입자 계측기에 의해 측정하였다. 입자 포집 효율은 하기 수학식 2를 기초로 하여 계산되었다:
세정성
필터 여과재가 유효 면적 100㎠의 원형 홀더에 세팅된 조건에서, 상류측과 하류측 사이에 압력차를 부여하여, 필터 여과재의 투과 속도를 유량계에 의해 측정된 값으로서 5.3㎝/초가 되도록 조정하였다. 상기 조건에서, 필터 여과재의 초기압력 손실을 마노미터에 의해 측정하였다. 대기 먼지를 3일간 계속해서 상기 필터 여과재를 투과시켰다. 그 다음, 압력 손실을 다시 측정하고, 필터 여과재를 홀더로부터 분리하였다. 분리한 필터 여과재의 하류측으로부터 1㎏/㎠의 압력으로 공기를 주입한 후, 필터 여과재를 순수한 물에 침지시키고 초음파로 30분간 세정하였다. 그 다음, 필터 여과재를 자연 건조시켰다. 필터 여과재의 압력 손실을 상기 기술된 바와 동일한 조건으로 마노미터에 의해 측정하였다. 상기 조작을 5회 반복한 후, 상기 기술된 바와 같은 조건하에 입자 포집 효율을 측정하였다.
실시예 1
액상 윤활제(액상 파라핀) 30중량부를 PTFE 미세 분말 100중량부와 균일하게 혼합하였다. 이 혼합물을 20㎏/㎠의 조건하에 예비성형한 후, 이것을 막대 형상으로 압출성형하였다. 막대형 혼합물을 1쌍의 금속제 압연 롤 사이로 통과시켜, 0.2㎜의 두께를 갖는 긴 시트형 성형체를 수득하였다. 그 다음, 상기 시트형 성형체로부터 노멀(normal) 데칸을 사용한 추출법에 의해 액상 윤활제를 제거한 후, 상기 시트형 성형체를 파이프형 코어상에 감아 롤로 제조하였다. 상기 시트형 성형체를 롤 연신법에 의해 250℃에서 그의 길이 방향으로 17배로 연신하였다. 또한, 상기 시트형 성형체를 텐터에 의해 100℃에서 그의 폭 방향으로 5배로 연신하였다. 이로써, 미소성 PTFE 다공질막을 수득하였다. 상기 막을 380℃에서 30초간 가열하여 소성하였다. 수득된 PTFE 다공질막의 압력 손실 및 입자 포집 효율을 측정하였다. 표 1은 PF 값과 함께 상기 측정 결과를 나타낸다.
실시예 2
길이 방향으로의 연신 배율을 12배로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 PTFE 다공질막을 수득하였다. PTFE 다공질막의 압력 손실 및 입자 포집 효율을 측정하였다. 표 1은 PF 값과 함께 상기 측정 결과를 나타낸다.
실시예 3
통기성 지지재로서 기본 중량이 15g/㎡인 스펀본드 부직포(유니티카사 (Unitika Ltd.)제 T0l53 WDO)를 사용하였다. 이 통기성 지지재를 실시예 1에서 수득된 PTFE 다공질막의 반대면에 배치한 조건에서, 통기성 지지재를 175℃에서 롤을 따라 진행되게 함으로써 적층하였다. 이로써, 두께 0.2㎜의 필터 여과재를 수득하였다. 상기 필터 여과재의 압력 손실 및 입자 포집 효율을 측정하였다. 표 1은 PF 값과 함께, 상기 측정 결과를 나타낸다. 또한, 필터 여과재의 세정성을 추가로 측정하였다. 도 2 및 표 2는 측정된 세정성을 나타낸다.
실시예 4
실시예 2에서 수득한 PTFE 다공질막을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 두께 0.2㎜의 필터 여과재를 수득하였다. 표 1은 PF 값과 함께, 상기 필터 여과재에 대하여 측정한 압력 손실 및 입자 포집 효율을 나타낸다. 도 2 및 표 2는 상기 필터 여과재에 대하여 측정한 세정성을 나타내다.
비교예 1
표 1은 PF 값과 함께, 시판되는 유리 섬유로 제조된 HEPA 필터 여과재에 대하여 측정한 압력 손실 및 입자 포집 효율을 나타낸다. 도 2 및 표 2는 상기 필터 여과재에 대하여 측정한 세정성을 나타낸다.
비교예 2
표 1은 PF 값과 함께, 시판되는 PP 섬유 부직포로 제조된 일렉트렛 필터 여과재로서의 HEPA 필터 여과재에 대하여 측정한 입자 포집 효율 및 압력 손실을 나타낸다. 도 2 및 표 2는 상기 필터 여과재에 대하여 측정한 세정성을 나타낸다.
압력 손실(㎩) 입자 포집 효율(%)(0.1 내지 0.2㎛) PF 값
실시예 1 100 99.01 22
실시예 2 250 99.99 이상 22
실시예 3 120 99.01 16.7
실시예 4 300 99.99 이상 18.3
비교예 1 250 99.11 8.2
비교예 2 160 99.00 12.5
압력 손실(㎩) 입자 포집 효율(%)
초기 5회 세정후 초기 5회 세정후
실시예 3 120 145 99.01 99.01
실시예 4 300 340 99.99 이상 99.99 이상
비교예 1 300 350 99.11 99.09
비교예 2 160 172 99.00 95.00
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 3 및 4에서 각각 수득된 필터 여과재는 종래의 필터 여과재, 특히 비교예 1에서 수득된 유리 섬유 필터 여과재에 비해 PF 값이 높고 압력 손실 및 입자 포집 효율 사이의 밸런스가 우수한 필터 여과재였다. 또한, PTFE 다공질막의 압력 손실을 250㎩ 이하로 하면, 상기 필터 여과재의 압력 손실은 터빈용 흡기 필터 여과재로서 사용하기에 실제로 허용가능한 범위(300㎩ 이하)로 억제되었음을 실시예 2 및 4로부터 확인할 수 있다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 2에서 수득된 일렉트렛 필터 여과재의 입자 포집 효율은 세정에 의해 대폭 저하되었지만, 실시예 3 및 4에서 각각 수득된 필터 여과재의 입자 포집 효율은 세정을 반복한 경우에도 변하지 않았다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시에 4에서 수득된 필터 여과재는 압력 손실을 저하시키는 면에서 현저한 세정 효과를 나타내었다. 또한, 측정시, 실시예 3 및 4에서 각각 수득된 필터 여과재로부터의 섬유의 떨어짐은 관찰되지 않았다.
본 발명은 상기 기술된 실시태양으로 한정되어서는 안된다. 다양한 변형이 청구범위의 취지를 벗어나지 않으면서 당해 기술분야의 숙련자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 범위내에서 본 발명내에 포함될 수 있다.
상기에서 기술된 바와 같이, 본 발명에 의해 터빈의 오염이 없고, 입자 포집 효율이 높고, 압력 손실이 낮고, 성능의 악화를 억제하면서 세정에 의해 재사용할 수 있는 터빈용 흡기 필터 여과재를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 하나 이상의 폴리테트라플루오로에틸렌 다공질막 및 하나 이상의 통기성 지지재를 포함하고, 100 내지 300㎩의 압력 손실 및 15 이상의 PF 값을 나타내는 터빈용 흡기 필터 여과재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리테트라플루오로에틸렌 다공질막이 70 내지 250㎩의 압력 손실 및 18 이상의 PF 값을 나타내는 터빈용 흡기 필터 여과재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통기성 지지재가 부직포를 포함하는 터빈용 흡기 필터 여과재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부직포를 구성하는 섬유의 일부 또는 전부가 코어-외피(core-sheath) 구조를 갖되, 코어 성분이 외피 부분보다 융점이 높은 터빈용 흡기 필터 여과재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈용 흡기 필터 여과재의 총 두께가 0.1 내지 10㎜의 범위로 설정된 터빈용 흡기 필터 여과재.
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