여과집진기 설계

왜 배우는가: 여과집진장치는 미세입자까지 높은 효율로 포집하는 대표 집진장치라서 설계와 시험 모두에서 중요하다. 이 개념은 여과속도, 압력손실, 집진효율 특성을 묶어 이해해야 하며, 두 회차에 걸쳐 이 세 가지를 묻는 문항이 출제됐다.

출제 이력: 제120회 1교시 4번, 제93회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

여과집진장치는 함진가스를 여과포에 통과시켜 입자를 포집하고 청정가스만 배출하는 집진장치이다.

여과집진장치는 분진을 여과재에 걸러 제거하는 방식이므로 미세입자 포집에 강하다. 설계에서는 여과속도, 압력손실, 여재의 물성, 탈진 방식을 함께 정해야 하며, 이 네 가지가 답안의 기본 구성이 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 여과포: 입자를 걸러내는 섬유 또는 직물 형태의 여재이다.
• 여과속도: 처리 가스량을 여과면적으로 나눈 값이다.
• 간헐식: 일정한 압력손실에 도달하면 운전을 멈추고 탈진하는 방식이다.
• 연속식: 운전을 멈추지 않고 탈진을 순차적으로 하는 방식이다.
• 탈진: 여과포 표면에 쌓인 먼지를 털어내는 작업이다.
• 압력손실: 가스가 여과층을 통과하면서 생기는 저항이다.
• 집진효율: 유입 먼지량 대비 포집된 먼지량의 비율이다.

2. 개념 풀이

여과집진장치는 함진가스를 여과재에 통과시켜 입자는 여재에 걸러지고 청정가스만 투과시키는 집진장치이다. 여과포를 자루 모양으로 만들어 여러 개를 한 설비에 배열하며, 가스가 여과포를 통과하는 구조가 일반적이다. 정식 정의에서 핵심은 여재가 입자를 포집하는 매체이고, 집진 성능이 여재의 물성과 가스의 통과 속도에 좌우된다는 점이다.

여재 재질은 가스의 온도와 화학 성분에 맞춰 고른다. 같은 여과속도라도 여재가 달라지면 집진효율과 수명이 달라지므로 여재 선정이 설계의 출발점이 된다.

포집 방식은 여재 내부에 입자를 가두는 내면여과와 여재 표면에서 입자를 모으는 표면여과로 나뉜다. 원리는 입자의 크기와 관성에 따라 달라진다. 입자 크기에 따라 관성충돌, 직접차단, 확산 중 지배 기구가 달라진다. 충분한 관성력을 가진 큰 입자는 가스 흐름의 궤도에서 벗어나지 못하고 섬유에 충돌하여 부착되는데, 이를 관성충돌이라 한다.

입자가 상대적으로 작아 관성이 약해지면 가스를 따라 이동하다가 입자 중심과 섬유 표면 사이 거리가 입자 반경보다 작아질 때 섬유에 닿아 붙는다. 이를 직접차단이라 하며, 관성충돌의 특수한 경우로 본다. 0.1㎛ 이하의 극미세 입자는 유선을 따라 움직이지 않고 브라운 운동으로 이동하다가 섬유와 접촉해 포집되는데, 이를 확산이라 한다.

여과포 표면에 쌓인 먼지층은 그 자체가 2차 여과층 역할을 하여 집진효율을 높인다. 그러나 먼지층이 두꺼워지면 가스 통과 저항이 커지므로, 일정한 압력손실에 도달하면 탈진으로 먼지층을 제거해야 한다. 집진효율과 압력손실이 서로 맞물리는 이유가 여기에 있다.

정상 운전되는 여과집진장치의 집진효율은 일반적으로 99% 이상으로 보고된다. 미세입자에 대한 집진효율이 높다는 점이 전기집진장치나 세정집진장치와 구별되는 특징이다. 전기집진장치는 운전 조건에 따라 성능 편차가 커질 수 있으나, 여과집진장치는 입자 크기가 매우 작을 때도 높은 효율을 유지한다.

여과집진장치의 설계 기준은 여과속도이다. 여과속도는 처리 가스량을 여과면적으로 나눈 값이며, 공기대포비라고도 한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$V_f = \dfrac{Q}{A}$

여기서 V_f는 여과속도(m/min), Q는 처리 가스량(㎥/min), A는 여과포 전체 면적(㎡)이다. 일반적인 여과속도는 1.5~3.5m/min 범위이며, 그 범위는 주로 먼지 부하 농도에 따라 정해진다.

3. 등장 배경과 필요성

여과집진장치가 중요해진 배경은 배출 입자의 미세화와 배출 기준의 강화이다. 미세먼지 규제가 강해지면서 입자 크기가 작은 분진까지 제거해야 하는데, 원심력이나 중력으로 분리하는 집진장치는 미세입자 제거율이 낮아 단독으로는 기준을 맞추기 어렵다. 이 때문에 미세입자에 강한 여과 방식이 설계 대안으로 자리 잡았다.

여과집진장치의 보급은 1970년대 후반 고온에서 견디는 내열 여재가 개발되면서 본격화되었다. 고온 가스를 처리할 수 있는 여재를 쓰게 되어 발전소, 제철소, 식품과 화학 공장 등 적용 범위가 넓어졌다. 이후 소각시설의 방지시설에서도 대표적인 건식 집진 수단으로 쓰인다.

건식으로 처리하므로 세정집진장치와 달리 폐수가 발생하지 않는다는 점도 필요성을 높인다. 포집된 분진은 건조 상태로 회수되어 재활용이나 처리가 비교적 간단하다.

설계에서 집진효율과 운전 안정성을 좌우하는 인자는 여과속도, 압력손실, 여재의 물성이다. 여과속도가 빨라지면 같은 여과면적에서 처리 가스량은 늘지만 여과층 통과 저항이 커져 압력손실이 증가한다. 여재의 물성은 내열성, 내식성, 흡습성에 따라 사용 가능한 가스 조건을 결정한다. 기출 문항도 압력손실의 원인과 영향, 집진효율 특성을 묻고 있어 세 인자의 관계를 설명하는 능력이 필요하다.