KR20050079024A - 전기적 원리를 이용한 미세 분진 다단계 응집 유도장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여과 집진기를 채택하는 미세 분진 제어 장치의 전처리 공정에 관한 것으로서 미세 분진 입자를 독립된 예비 하전부로 유도하여 최고 ±10 kV로 대전 시키고, 직류 전기장을 조성하여 상호 응집시키는 장치에 관한 것이다. 기존의 단극하전이나 교류 전기장 응집장치에 비하여 분진 흐름을 조절할 수 있는 분진 공급 가이드와 보조 기류 조성부를 추가함으로써 보다 정밀한 응집효과를 얻을 수 있도록 하였으며, 응집부에 직류 전기장을 조성해 줌으로써 신속한 입자 충돌을 유도할 수 있고, 다단계 절연 구조로 구성하여 작동 조건에 따른 장치의 길이 변경이 용이하도록 고안하였다. 또한 다단계 직류 전기장 응집부는 단계별로 전극을 바꾸어 줄 수 있게끔 함으로써 분진입자가 고전압 전극판 표면에 부착하는 것을 억제하는 효과 및 충돌 확률을 증대시킬 수 있도록 하였다.

Description

전기적 원리를 이용한 미세 분진 다단계 응집 유도장치{Multi-stage device for fine dust agglomeration by using electric forces}

각종 산업시설에서 발생하는 미세분진의 유해성은 이미 잘 알려져 있으며, 다양한 방지 시설이 개발되고 있다. 특히 다이옥신 처리와 gas상 물질과의 동시 처리가 가능한 필터 형태의 여과 집진기가 최근 많이 채택되고 있는 현실이다. 그러나 여과 집진기의 치명적인 단점인 높은 압력손실로 인하여 적용에 제한이 있는 것이 사실이다. 따라서 보다 효율적으로 분진을 분리하고 포집할 수 있는 효과적인 장치운영을 위하여 분진 입자를 사전 응집시킴으로써 크기 증대와 동시에 균질한 크기분포를 구성할 수 있는 전처리 공정이 일부 연구되고 있다.

본 발명은 입자상 분진 발생량이 많은 사업장의 배출가스 제어 및 실내 공조 장치에 관한 것으로 주 집진부의 전단에 코로나 방전을 인가하여 분진을 양극 (+,-)으로 대전시키고, 직류(DC)전기장을 조성하여 분진을 일정크기로 응집시킴으로써 후단부에 설치될 여과 집진 장치의 성능과 운전의 편리성을 향상시키기 위한 전처리 장치에 관한 것이다.

여과집진 장치에 분진이 유입되기 전에 분진입자를 예비 하전 시켜 입자를 성장시킴과 동시에 크기 분포를 축소하여 입도분포를 일정하게 유지시킴으로써 미세 먼지의 제어 성능을 향상시키고, 집진필터의 수명을 연장할 수 있다. 이와 유사한 방안에 대해서 몇몇 연구 및 개발이 있었으나, 종래의 연구내용은 단극 하전과 교류전기장 인가에 의해 입자를 성장시킨 후, 전기집진기에서 집진하는 방식이 주를 이루었다. 이러한 기술 개발들은 환경법규에 의거 최소한의 비용으로 복합적인 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 효과적인 운전 내구성 향상 방안의 하나로 제시되어 왔다. 그러나 종래의 이러한 기술들은 많은 전처리 필터가 사용되므로 압력강하가 크고, 고농도의 분진 배출 처리 장치에 사용 시 관리가 어렵다는 문제점으로 인해 상용화되지 못하고 시범장치 및 연구단계에 머무르고 있다.

보다 실용적이고 간단하며 효율적인 응집 장치에 대한 기술개발이 필요한 바, 중첩된 코로나 방전을 이용하여 미세 분진을 하전 시키고, 분진 흐름을 일정하게 유지시키며, 원하는 유로를 통하여 직류 전기장으로 유도하여 입자를 응집시키는 장치이다. 이 때, 전류 발생 전극판 표면에 분진이 부착되는 것을 최소화하면서 분진의 응집 효율을 극대화시켜 미세분진의 크기를 증대시키고, 그 크기 분포를 축소시킴으로써 여과 집진기의 필터 선정을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 여과의 효율을 높이고, 탈진 조작 등을 효과적으로 운영할 수 있는 구조의 장치를 설계하였다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 도면 1에 묘사한 본 고안의 분리 사시도에 따르면, 분진이 완만한 유체의 흐름을 유지하면서 장치 내로 유입되도록 특별히 고안된 분진 공급 가이드(6)를 통해 장치 내로 유입된다. 이 때, 장치 내에 유입된 분진 흐름이 서로 간섭을 일으키지 않고 정해진 유로를 흐를 수 있도록 보조 기류 조성부(1)를 설치하여 적정량의 청정 공기가 공급될 수 있도록 하였다. 보조 기류 조성부(1)는 벌집형태의 직경 약 5mm의 원통형 다발로 구성되어 청정공기가 층류형태로 일정하게 공급되도록 하였다. 본 장치는 접지되어 있으며, 핵심부는 직류 코로나 방전을 발생시키는 분진의 하전부(2)와, 분진 하전부 후단에 연결되어 있는 응집부(3)로 구성되어 있다. 각 장치부분은 고전압으로 인한 전기장의 영향이 다른 부분에 미치지 않도록 하기 위해 절연촉(14)을 사용하여 고정하고 연결시켰다.

본 고안에 대한 세부적인 사항에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 내용에 따라 (+), (-)의 양극(bipolar) 코로나 방전부(2)를 전단에 배치하고 직류(DC)전기장을 인가한 하이브리드형 응집장치의 사시도이다.

도 1에서 분진의 하전부(3)는, 오염원에서 배출되어 분산된 분진들이 서로 사전에 충돌하거나 응집되지 않은 채 전기장으로 진입하여 전기적 인력의 영향만을 받을 수 있도록 분진의 일정한 공급 흐름을 위하여 두 개의 분진 공급 가이드(6)를 설치하였다. 분진 공급 가이드(6)는 양극(7)과 음극(8)의 방전실로 분진을 각각 유도한다. 후방의 직류 전기장 분위기 하에서 분진의 효과적인 응집을 유도하기 위한 예비 하전방법으로 직류 고전압 corona 방전 방법을 채택하였다. 공급 가이드(6)를 나와 코로나 하전부(2)와 입자 응집부(3)에서 지속적으로 일정한 흐름이 유지되게끔 하기 위하여 보조 공기를 공급하였다. 보조 공기는 벌집 형태의 관 다발 형태의 공기유입관 세트(4)를 통하여 공급되는 분진의 좌·우 측면에서 낮은 속도로 공급된다. 이러한 보조 공기로 인하여 하전부(2)에서 응집부(3)로 배출되는 분진은 급격한 확대 팽창에 의한 불안정한 혼합 없이 서로 분리되어 있는 코로나 하전부(2)에 진입할 수 있을 뿐만 아니라 입자 응집부(3)에서도 예상치 않은 난류의 효과를 최소화할 수 있다.

분진 공급 가이드(6) 이후 분리되어 있는 하전부는 양(+)코로나 발생 전극선(10)과 음(-)코로나 발생 전극선(11)이 대향 설치되어 있다. 장치는 반대 극성의 고전압 인가에 따른 영향을 받지 않도록 하기 위해 각 하전부의 경계면에 아크릴 소재의 절연 분리판(5)으로 각각 격리시켰다. 각 하전부에 두께 0.1 mm의 텅스텐 전극선(10, 11)을 유동 방향에 수직으로 설치하였고, 각각 +10 kV와 -10 kV의 직류 고전압을 가해 주어 방전을 일으킴으로써 분진들을 하전 시킨다. 이 때, 방전 전극선의 간격은 10 mm로 하였다. 하전부에 장착된 전극선(10, 11)은 홈이 파인 전도성 지지대(9)에 용이하게 탈착시킬 수 있는 고리 구조로 설계되어(도면 4 참조), 전극선의 파손 등에 대처할 수 있게 하였으며, 코로나 하전의 효율이 낮아지거나 현장 상황에 따라 전극선의 수를 쉽게 가변 시켜가며 본래의 효율을 유지할 수 있도록 하였다. 양극성(+)하전이 인가된 분진입자(+10 kV)와 음(-)극성으로 각각 하전된 분진입자(-10 kV)는 직류 전기장 응집부(3)에 조성되어 있는 전류장에 의해 하전 극성과 반대극인 유입되었던 유로의 반대 측면으로 서로 이동하게 된다. 즉, 이러한 교차이동에 의해 입자들 서로간의 충돌과 그로 인한 응집 및 성장이 이루어지게 된다. 그러면서 보조 기류 조성부(1)를 통하여 공급되는 공기와 함께 주 흐름 방향을 유지하며 집진 장치로 흘러간다. 분진의 이동 형상에 관한 설명이 도면 2에 도시되어 있다.

제 2도는 상기에서 설명한 양극(bipolar)으로 하전된 분진입자들이 중첩된 전기장을 지나며 응집되어 가는 과정을 나타낸 개념도이다. 이러한 입자들의 반복적인 충돌에 의하여 미세 분진입자들은 큰 분진으로 성장하게 되고, 궁극적으로 후단에 설치되는 여과 집진 장치들에서의 압력손실을 낮추고, 효율을 상승시킬 수 있다.

개념도에 도시한 바와 같이 하전된 입자들이 양극과 음극으로 대전시킨 직류 전기장으로 들어서게 되면, 입자 본래의 전하량과 코로나 방전부에서 하전되는 전하량에 따라 전기장 내에서의 입자들의 굴절 거리가 다양하게 나타날 수 있다. 분진 입자들의 주 흐름인 횡방향과 직각인 종방향의 운동을 유도하여 각각 서로 반대 극판으로 향하게 함으로써 일정한 정도의 충돌효과를 유발시킨다. 횡방향의 거리와 종방향의 움직임 간격은 각 개별입자마다 차이가 나며, 전하력과 입자 고유의 반데르발스 인력 등에 의해 입자는 비교적 견고한 응집체를 구성한다. 이 때 분진은 서로 반대극성의 분진과의 응집을 통하여 중성에 가까운 응집체가 형성되고, 분진의 주 흐름은 장치의 중심 쪽으로 집중된다.

이러한 응집부(3)는 두 개의 평행한 직사각형 구리판으로 고전압 직류의 전기장을 형성할 수 있는 터널 형태이며, 사용 조건에 따라 가변시킬 수 있도록 3단계 체결구조로 제작하였다. 따라서 입자의 특성이나 분진의 농도, 유속이나 유량, 시설 공간 등의 여건에 따라 전압을 조절하고, 유로의 길이를 정할 수 있도록 하였다. 직류전압 발생 장치(15)는 양극(+)과 음극(-)을 각각 4∼10 kV 범위로 발생시킬 수 있는 장치로서, 장치 전단의 하전부와는 독립적으로 운전이 가능하도록 구성 하였다.

응집부는 코로나 방전부의 후단과 절연촉(14)으로 연결되어 있으며, 하전부와 마찬가지의 직류 고전압(±10 kV)이 가해지지만, 전극선 형태의 하전부와는 다른 형상인 전극판(plate)형태(16, 17)로 제작하여 넓은 분포의 전기장을 형성함으로써 분진의 집중을 유도할 뿐 아니라 코로나 방전을 억제하도록 하였다.

서로 교차하며 중심부분에서 모아지는 분진의 충돌로 부터 상호 인력에 의한 응집현상이 발생하고, 그 크기가 성장함과 동시에 입자크기 분포가 원래의 분진보다 현격히 축소되어 정연하게 구성된다. 이러한 물리적 운동에 의한 변화는 궁극적으로 여과 집진 장치와 같은 집진 장치의 성능 향상에 기여한다.

도면 3에는 본 발명에서 제안한 중첩된 예비 하전장치 및 분진 응집기를 여과 집진기의 유입부에 설치하였을 경우에 관하여 개략적으로 나열하였다. 따라서 응집전기장의 유로 길이는 응집효과에 따른 후단 집진 장치에서 저항 등을 고려하게끔 융통성 있는 구조로 하였다.

본 발명에서 제안한 미세 분진 응집 장치는 기존의 단순한 여과 집진 장치의 효용성을 크기 증대 시킬수 있을 뿐 아니라 낮은 압력강하를 달성할 수 있고, 미세분진에 대한 궁극적인 집진 효율을 증대시킬 수 있다. 따라서 대기환경 및 실내공기오염의 주 원인 물질인 미세분진입자 처리의 보조 장치로써 크게 기여할 수 있다.

제 1도는 본 발명의 내용에 따라 (+), (-)의 양극(Bipolar) 코로나 방전부를 전단에 배치하고 직류(DC)전기장을 인가한 하이브리드형 응집 장치의 사시도.

제 2도는 양극성(bipolar)으로 하전 된 분진들이 직류 전기장을 지나며 유선을 따라 서로 마주치며 응집되는 과정을 나타낸 개념도.

제3도는 본 발명에서 제안한 중첩된 예비 하전장치 및 분진 응집기가 여과집진기의 유입부에 설치된 모습을 개략적으로 도시하는 배치도.

제4도는 본 장치의 코로나 방전부에 삽입되는 전극선의 조립도.

Claims (6)

1. 미세분진처리를 위한 여과 집진기 전단부에 고전압 다단계 절연 직류 전기장(3)을 조성하여 분진입자의 크기를 증대시키고, 입도 분포를 일정하게 유도하는 응집장치;
2. 제 1항에 있어서 장치의 전단에 유체와 함께 유입되는 분진의 흐름을 최대한 유연하게 장치 내로 안내할 수 있는 구조의 가이드(6)와 유입부 내의 분진 입자들의 중력에 의한 낙하나 좌우 요동을 최대한 억제하며 분진이 고르게 분사될 수 있도록 특별히 설계된 보조 기류 조성부(1)의 설치;
3. 제 1항에 있어서, 유입되는 분진 입자에 직류 코로나 방전을 통해 한편에는 양극(+) 하전이 인가되고, 다른 한편에는 음극(-)하전이 인가되도록 하는 전극선(10, 11) 형태의 양극성 동시 하전장치(2);
4. 제 1항에서 절연체로 연결된 고전압 판(plate)형태(16, 17)의 다단계 터널형 응집장치;
5. 제 4항에 있어서 직류 하전부와 동일한 용량(±5∼10 kV)의 직류 고전압을 인가하여 분진입자의 유로를 제어하는 방식의 중성화 집진방법;
6. 제 3항에 있어서 방전극의 역할을 하는 고리 형태의 전극선(10, 11) 및 장착과 탈착이 용이할 뿐만 아니라 신속하고 정확한 교체가 가능하도록 홈을 낸 전극선 지지대(9);