여과집진장치

왜 배우는가: 여과집진장치는 미세분진 처리의 대표 장치이며, 집진 메커니즘과 압력손실의 원리를 알아야 탈진·설계·운전 문항에 답할 수 있다. 같은 개념이 여러 교시에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제138회 3교시 3번, 제129회 1교시 12번, 제129회 2교시 5번, 제126회 2교시 5번, 제123회 4교시 5번, 제116회 1교시 13번, 제114회 2교시 3번, 제108회 3교시 6번, 제95회 4교시 1번, 제90회 4교시 4번, 제89회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

여과집진장치(Bag Filter)는 함진가스를 여과재에 통과시켜 입자상 물질을 포집하는 집진장치이다. 여과재 표면과 내부에 쌓이는 분진층이 실제 포집을 담당하므로, 장치 성능은 여과재 자체보다 분진층의 상태에 크게 좌우된다. 답안 첫 줄은 다음 정의 문장으로 시작한다.

함진가스를 여과재에 통과시켜 입자상 물질을 포집하는 집진장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 여과포: 직물이나 부직포로 만든 여과재이며 원통형 또는 봉투형으로 제작한다. 재질은 가스 온도, 습도, 부식성에 맞춰 선택한다.
• 분진층(여과 케이크): 여과포 표면에 쌓인 분진의 층이다. 이 층이 미세입자를 걸러내는 실질적인 여과 작용을 한다.
• 여과속도: 여과재 단위 면적을 통과하는 가스의 유속이다.
• 공기여재비: 처리 가스량을 여과 면적으로 나눈 값이며, 여과속도와 같은 개념으로 쓰인다.
• 압력손실: 여과포와 분진층을 가스가 통과하면서 생기는 차압이다.
• 탈진: 여과포 표면의 분진층을 떼어내 압력손실을 회복시키는 조작이다.

2. 개념 풀이

여과집진장치는 다공성 여과재로 가스 속 입자를 걸러 분리하는 건식 집진장치이다. 정식으로 정의하면, 함진가스를 여과재에 통과시켜 입자를 포집하고 쌓인 분진을 주기적으로 제거하여 여과재의 기능을 유지하는 장치이다. 여과속도, 여과재 종류, 탈진 방식이 성능을 좌우하는 핵심 변수이다.

원리를 보면 섬유 사이의 간격을 체처럼 통과시키는 것이 아니다. 집진 메커니즘은 관성충돌, 차단, 확산, 정전기적 흡인이 복합으로 작용하는 것이다. 각 작용은 입자 크기와 기류 속도에 따라 지배하는 정도가 달라진다.

• 관성충돌: 입자가 기류를 따라가지 못하고 섬유에 충돌하여 부착하는 작용이다. 입자가 크고 기류가 빠를수록 두드러진다.
• 차단: 입자 중심이 섬유 표면에서 입자 반지름 이내로 가까워져 섬유에 닿아 붙는 작용이다.
• 확산: 미세입자가 브라운 운동으로 불규칙하게 움직이다가 섬유에 부딪혀 부착하는 작용이다. 입자가 작고 기류가 느릴수록 두드러진다.
• 정전기적 흡인: 입자와 섬유 사이의 전기력으로 부착이 강화되는 작용이다.

여과 과정은 두 단계로 나누어 이해해야 한다. 여과 초기에는 입자가 섬유 내부 깊숙이 포집되는 깊은층 여과가 일어난다. 이후 섬유 표면에 분진층이 형성되면 그 층이 여과 작용을 주도하는 표면 여과로 바뀐다. 그래서 여과포를 새로 교체한 직후에는 미세분진이 빠져나가기 쉽고, 분진층이 형성된 뒤에 집진효율이 안정되는 특징이 있다.

입경에 따라서도 포집 특성이 다르다. 큰 입자는 관성충돌이, 아주 미세한 입자는 확산이 지배적이다. 특정 입경 부근에서 효율이 상대적으로 낮아지는 구간이 있다. 이 구간은 두 작용이 모두 약해지는 영역이므로, 여과포만으로는 효율이 떨어지기 쉽고 분진층의 역할이 커진다.

여과 저항은 여과포 저항과 분진층 저항의 합으로 나타내며, 분진층이 두꺼워질수록 압력손실이 증가한다. 압력손실은 관련 설계 기준이 정한 범위 수준이다. 이 값이 지나치게 높아지면 송풍기 동력이 늘고 처리 풍량이 줄어든다.

여과속도는 다음 식으로 구한다.

$V_f = Q / A$

여기서 V_f는 여과속도(m/min), Q는 처리 가스량(㎥/min), A는 여과 면적(㎡)이다. 여과속도가 커지면 분진층이 빨리 두꺼워져 압력손실이 빠르게 상승하고, 여과속도가 작으면 같은 풍량을 처리하기 위한 여과 면적이 커져 장치 규모가 커진다.

적정하게 운전하면 집진효율을 99% 이상 얻을 수 있다. 이는 깊은층 여과와 표면 여과가 함께 작용하여 미세입자까지 안정적으로 포집되기 때문이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 공정의 배출가스에는 입경이 작은 미세분진이 많이 포함되고, 배출허용기준은 점점 엄격해지고 있다. 원심력집진장치는 큰 입자를 처리하는 데 효과적이지만 미세입자를 충분히 포집하지 못한다. 그래서 미세입자를 높은 효율로 포집할 수 있는 장치로서 여과집진장치가 널리 쓰이게 되었다.

전기집진장치도 미세분진을 처리하는 대표 장치이다. 다만 분진의 전기 저항이 지나치게 높으면 역전리 현상이 생겨 집진효율이 떨어진다. 여과집진장치는 분진의 전기적 특성에 영향을 덜 받으므로, 고저항 분진이나 전기집진에 불리한 가스 조건에서 대안으로 선정된다. 따라서 분진 특성과 가스 조건을 함께 고려하여 장치를 고르는 것이 필요하다.