세정집진장치

왜 배우는가: 세정집진장치는 고온·고습 배출가스와 가스상 오염물질을 함께 처리할 수 있어 산업 대기오염 방지시설에서 널리 쓰인다. 시험에서는 집진원리, 종류별 특징, 장단점과 비말동반의 원인·대책을 함께 묻는 주제이므로 원리와 기준을 정확히 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제129회 3교시 6번, 제93회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

세정집진장치는 입자를 액적이나 액막에 포집하여 가스에서 분리하는 습식 집진장치이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓴다. 정의의 핵심 두 단어는 '액적·액막 포집'과 '습식'이다. 액적은 세정액이 분무되어 생긴 작은 물방울이고, 액막은 충전물이나 판 표면을 얇게 흐르는 액체막이다. 여과집진장치가 여재로 먼지를 걸러 내는 방식이고 전기집진장치가 전하를 띤 입자를 전계로 분리하는 방식인 점과 구분해야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 세정액: 가스와 접촉하여 먼지를 포집한 뒤 배출되는 액체이며, 보통 물을 쓴다.
• 액가스비(L/G): 처리 가스량에 대한 세정액량의 비이며, 집진 효율과 압력손실을 좌우하는 설계 인자이다.
• 관성충돌: 큰 입자가 가스 흐름을 벗어나지 못하고 액적에 부딪혀 포집되는 기구이다.
• 차단: 가스 흐름을 따라 움직이는 입자가 액적 표면을 스쳐 부착되는 기구이다.
• 확산: 브라운 운동으로 미세 입자가 액적 표면에 부착되는 기구이다.
• 응결: 가스가 이슬점 이하로 냉각되어 입자 표면에 수분이 맺히고 입자가 커지는 현상이다.
• 비말동반: 가스에 섞인 액적이 장치 밖으로 빠져나가는 현상이다.

2. 개념 풀이

세정집진장치의 정식 정의는 함진가스를 세정액과 접촉시켜 먼지를 액적과 액막에 포집한 뒤, 먼지와 액체를 함께 분리하여 배출하는 집진장치이다. 집진장치 가운데 액체를 사용하는 방식을 습식 방식이라 하며, 여과·전기 방식과 달리 먼지가 젖은 상태로 제거되는 것이 특징이다. 가스와 액체의 접촉이 많을수록 먼지 제거 효율이 높아지므로, 설계에서는 접촉 면적과 접촉 시간을 키우는 방향으로 장치 형식을 정한다.

먼지가 액체에 포집되는 원리는 네 가지 기구로 설명한다. 첫째, 관성충돌은 입자가 가스 흐름을 따라 액적 주위를 돌아 흐를 때 자신의 관성 때문에 직진하여 액적에 부딪히는 현상이다. 관성은 입자가 클수록 크므로 이 기구는 큰 입자에 주로 작용한다. 둘째, 차단은 가스 흐름을 따라가던 입자가 액적 표면을 스치면서 달라붙는 현상이다. 셋째, 확산은 액적 사이에 흩어진 아주 작은 입자가 브라운 운동에 의해 액적 표면으로 이동하여 부착하는 현상이며, 서브마이크로미터 크기 입자를 포집하는 주된 기구이다.

넷째, 응결은 가스를 이슬점 이하로 냉각했을 때 수분이 입자 표면에 응결하여 입자가 커지는 현상이다. 입자가 커지면 관성충돌과 차단으로 포집되기 쉬워지므로 응결은 포집을 돕는 보조 기구에 해당한다. 액가스비는 집진 효율을 높이는 설계 인자이지만, 일정 수준을 넘으면 효율이 더 오르지 않고 압력손실만 커진다. 따라서 세정액을 무작정 늘리지 않고 장치 형식에 맞는 적정 액가스비를 정한다.

세정집진장치의 성능은 입경에 따라 차이가 크다. 저에너지 분무탑은 압력손실이 낮아 고농도 먼지를 막힘 없이 처리할 수 있으나, 입자가 작아질수록 효율이 떨어져 미세 입자에서는 효율이 낮다. 미세 입자를 높은 효율로 제거하려면 가스 속도와 액체 분사 에너지를 높인 형식을 선택해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 공정에서 배출되는 가스는 고온이거나 습도가 높고, 먼지와 함께 수용성·반응성 가스를 포함하는 경우가 많다. 이런 가스는 여과포를 막히게 하거나 전기집진장치의 방전 조건을 불안정하게 만들어, 건식 집진장치만으로는 안정적으로 처리하기 어렵다. 세정집진장치는 가스를 액체와 직접 접촉시키는 방식이므로 고온·고습 가스를 처리할 수 있어 이러한 한계를 보완하는 장치이다.

또 세정집진장치는 먼지만 제거하는 장치가 아니다. 배기가스 중 용해성 가스나 화학적으로 반응성인 가스는 적절한 액체와 접촉시켜 흡수 제거할 수 있으며, 부식성 가스도 알칼리성 세정액으로 중화하여 처리할 수 있다. 그래서 산 제조, 비료, 제철, 아스팔트 플랜트, 대형 발전소처럼 먼지와 가스상 오염물질을 함께 처리해야 하는 공정에서 쓰인다. 가스를 냉각하면서 처리하므로 장치 전체 크기를 줄일 수 있다는 점도 도입 배경이다.

세정집진장치의 필요성은 다음과 같이 정리된다.

• 고온·고습 가스 처리: 여과 방식이 막히거나 전기 방식이 불안정해지는 가스를 처리한다.
• 가스상 오염물질 동시 제거: 수용성·부식성 가스를 액체 흡수로 함께 제거한다.
• 설비 소형화: 배기가스를 냉각하여 장치 전체 크기를 줄인다.

세정집진장치의 포집 효율은 입자 크기에 따라 달라지므로, 처리할 먼지의 입경 분포를 먼저 파악한 뒤 장치 형식을 고른다. 이 점은 2절의 집진 원리와 연결해서 이해해야 한다. 다만 세정집진장치는 세정액 처리 부담과 비말동반 같은 문제가 따르므로, 장단점과 비말동반의 원인·대책은 7절에서 다룬다.