전기집진기

왜 배우는가: 전기집진장치는 미세 입자 제거와 낮은 압력손실을 함께 요구하는 설계에서 기본이 되는 집진장치이다. 운전 점검, 비저항, 효율 계산이 함께 묻기 때문에 원리와 수치를 같이 익혀야 한다.

출제 이력: 제129회 2교시 6번, 제120회 2교시 4번, 제113회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기집진장치는 코로나 방전으로 입자를 하전시킨 뒤 전계의 힘으로 집진극에 포집하는 집진장치이다. 가스 흐름을 거의 막지 않으면서 입자에만 힘을 가하는 방식이므로 에너지 소비가 적고, 미세한 입자까지 높은 효율로 제거할 수 있다는 점이 핵심이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 코로나 방전: 방전극 주변의 강한 불평등 전계에서 기체 분자가 이온으로 갈라지는 현상이다. 이온이 있어야 입자에 전하를 줄 수 있으므로 전기집진의 출발점이 된다.
• 하전: 입자가 가스 이온을 흡착하여 전하를 띠는 현상이다. 하전된 입자만 전계의 힘을 받아 집진극 쪽으로 이동한다.
• 쿨롱력: 전하를 띤 입자가 전계에서 받는 힘이다. 입자를 집진극 쪽으로 끌어당기는 힘이 이 쿨롱력이다.
• 방전극: 음(−) 극성을 걸어 코로나 방전을 일으키는 가는 선 또는 침 모양의 전극이다.
• 집진극: 양(+) 극성의 평판 전극으로, 하전된 입자가 달라붙어 포집되는 면이다.
• 비저항: 먼지층이 전기를 통과시키는 정도를 나타내는 값이며, 집진 효율을 좌우하는 먼지 고유의 성질이다.
• 건식과 습식: 집진극에 쌓인 먼지를 제거하는 방법에 따른 구분이다. 건식은 타격으로 먼지를 떨어뜨리고 습식은 물막으로 씻어 낸다.

2. 개념 풀이

전기집진장치의 정식 정의는 불평등 전계에서 코로나 방전을 일으켜 함진가스 속 입자를 하전시키고, 하전된 입자를 쿨롱력으로 집진극에 분리하여 포집하는 집진장치이다. 구성은 가는 방전극과 평판형 집진극이 교대로 배치된 전극계와, 이 전극에 고전압 직류를 공급하는 전원부로 이루어진다. 방전극에는 음(−), 집진극에는 양(+) 극성을 걸어 두는 것이 일반적이다.

원리는 다음 네 단계로 풀이한다.

• 방전극과 집진극 사이에 고전압 직류를 걸어 방전극 주변에 코로나 방전을 일으키고, 가스를 이온화한다.
• 생성된 음이온이 가스 흐름을 따라 이동하면서 입자에 부착되어 입자를 하전시킨다.
• 하전된 입자는 전계에 의한 쿨롱력을 받아 집진극 쪽으로 이동한다.
• 집진극에 포집된 먼지는 주기적인 타격으로 떨어뜨려 호퍼에 모은다.

포집 효율은 입자가 받는 힘이 클수록, 즉 하전량과 전계 세기가 클수록 높아진다. 반대로 가스 유속이 빠르면 입자가 집진극에 닿을 시간이 줄어 효율이 떨어진다. 이 관계는 운전 조건과 설계 인자를 정할 때 기본 원칙이 된다.

먼지의 비저항은 집진극에 쌓인 먼지층이 전하를 얼마나 쉽게 흘려보내는지를 나타낸다. 적정 범위는 관련 기준이 정한 범위이며, 이 범위를 벗어나면 효율이 떨어진다. 비저항이 낮으면 집진극에 도달한 먼지가 전하를 잃고 쉽게 재비산하고, 비저항이 높으면 먼지층 사이의 전압 구배가 커져 부분 파괴와 방전이 일어난다(역전리).

핵심 용어는 다음과 같다.

• 재비산: 집진극에 포집된 먼지가 떨어지거나 전하를 잃어 다시 가스 흐름으로 되돌아가는 현상이다.
• 역전리: 높은 비저항의 먼지층에서 부분 파괴 방전이 일어나 집진 성능을 떨어뜨리는 현상이다.
• 호퍼: 집진극에서 떨어진 먼지를 모아 배출하는 집진부 하부의 저장 용기이다.
• 타격 탈리: 집진극을 주기적으로 두드려 쌓인 먼지를 떨어뜨리는 제거 방법이다.

3. 등장 배경과 필요성

산업 공정에서 배출되는 분진과 미스트는 입경이 작을수록 기계식 집진장치로 제거하기 어렵다. 원심력 집진장치와 중력 집진장치는 입경이 비교적 큰 입자에 효과적이고, 여과집진장치는 미세 입자까지 잡지만 여재가 막히면서 압력손실이 커지고 여재를 주기적으로 교체해야 한다. 이러한 한계를 넘기 위해 미세 입자를 낮은 압력손실로 처리하는 방식이 요구되었고, 그 대안으로 전기집진장치가 발전소, 시멘트소성로, 유리용해로, 제철제강로, 소각로 등 다량의 분진이 배출되는 시설에 널리 채택되었다.

전기집진장치가 주목받는 이유는 에너지 효율에 있다. 가스 흐름에 직접 에너지를 주는 세정 방식과 달리 입자에만 에너지를 가하므로 전력 소비가 적다. 압력손실도 낮아 대용량 가스를 처리할 때 송풍 동력비가 비교적 적게 들고, 연속 운전이 가능해 장기간 운전 설비에 적합하다.

배출 허용기준이 강화되고 미세먼지 관리가 중요해지면서 입경이 작은 입자를 높은 효율로 잡는 집진장치의 필요성이 커졌다. 이에 따라 전기집진장치는 공해방지뿐 아니라 유기물 회수, 제품 품질 향상, 공기조화 등 환경보전과 공업생산 분야에서도 함께 쓰이게 되었다. 방지시설을 선정하는 이유를 서술할 때 이 배경이 답안의 서론 역할을 한다.