전기집진기 설계인자

왜 배우는가: 전기집진기는 화력발전소와 산업 공정에서 분진을 처리하는 대표 설비이므로 설계인자의 값과 효율 영향을 정확히 알아야 한다. 설계인자는 집진효율, 압력손실, 전력비를 함께 결정하기 때문에 여러 교시에서 설계인자 문제로 묻는 주제이다.

출제 이력: 제135회 3교시 6번, 제101회 4교시 6번, 제93회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기집진기는 방전극의 코로나 방전으로 배기가스 속 분진을 대전시킨 뒤 정전기력으로 집진극에 포집하는 집진장치이다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 코로나 방전: 방전극 주변에 국부적으로 생기는 이온화 방전이며, 가스 분자를 이온화해 분진 입자를 하전시키는 역할을 한다.
• 방전극과 집진극: 방전극은 고전압을 걸어 코로나 방전을 일으키는 전극이고, 집진극은 하전된 입자를 흡착하여 포집하는 전극이다.
• 겉보기 이동속도: 하전된 입자가 전계의 힘을 받아 집진극 쪽으로 이동하는 속도이며, 집진효율을 좌우하는 핵심 변수이다.
• 비저항: 포집된 분진층의 전기 저항이며, 값이 지나치게 높거나 낮으면 집진 성능이 떨어진다.
• 재비산: 집진극에 포집된 입자가 전하를 잃거나 털어낼 때 다시 가스 흐름으로 빠져나가는 현상이다.
• 집진면적비: 집진극 면적을 처리가스량으로 나눈 값으로, 설비 규모를 정하는 설계 지표이다.
• 처리가스 유속: 집진 공간을 통과하는 가스의 속도이며, 입자가 집진 공간에 머무는 시간을 정한다.
• 함진농도: 가스 단위 부피 속 분진의 농도이며, 코로나 전류와 인가 전압 조건에 영향을 준다.

2. 개념 풀이

전기집진의 과정은 세 단계로 이루어진다. 첫째, 방전극과 집진극 사이에 직류 고전압을 걸어 코로나 방전을 일으키면 가스 분자가 이온화되고, 이 이온이 분진 입자에 달라붙어 입자를 하전시킨다. 둘째, 하전된 입자는 전계의 힘을 받아 집진극 쪽으로 이동하며, 이때의 이동속도가 겉보기 이동속도이다. 셋째, 입자는 집진극에 부착되어 포집되고, 주기적인 타격으로 털어내져 호퍼에 모인다.

Deutsch식은 이 과정을 수식으로 정리한 것이다. 입자가 가스 흐름에 수직인 방향으로 완전히 혼합된다고 가정하면 집진효율은 다음과 같이 나타난다.

$η = 1 - e^{-(w·A)/Q}$

η는 집진효율(무차원), w는 겉보기 이동속도(m/s), A는 집진극 전체 면적(㎡), Q는 처리가스량(㎥/s)이다. 집진효율은 w·A/Q 값의 지수함수로 결정된다. 집진극 면적이 커지거나 처리가스량이 줄거나 이동속도가 빨라지면 지수 항이 커져 효율이 높아진다. 효율이 높은 영역일수록 같은 폭의 효율 향상을 얻는 데 면적을 더 크게 늘려야 한다. 그래서 전기집진기 설계는 면적과 처리가스량의 비를 기준으로 집진극 규모를 정하며, 식으로 쓰면 집진면적비 = A ÷ Q이다. 같은 효율을 얻는 조건에서 집진면적비가 크면 설비가 커지고 투자비가 늘어난다. 처리가스 유속은 일반적으로 관련 기준이 정한 범위에서 설계한다.

코로나 방전은 인가 전압이 코로나 개시 전압을 넘어야 시작된다. 전압을 높이면 전계 강도와 코로나 전류가 커져 입자의 하전량이 늘고 집진효율이 향상된다. 다만 전압이 과도하면 불꽃 방전이 발생해 운전이 중단되므로 최적 전압을 유지해야 한다.

이동속도 w는 분진의 비저항에 따라 크게 달라진다. 비저항이 지나치게 낮으면 입자가 집진극에 닿자마자 전하를 잃고 다시 튀어 나가는 재비산이 일어나고, 지나치게 높으면 포집된 분진층에 전압 강하가 생겨 역코로나가 발생한다. 그래서 적정 비저항 범위를 유지하는 것이 설계의 핵심이다. 적정 비저항 범위는 관련 기준이 정한 범위로 알려져 있다.

처리가스 온도가 150~160℃ 이하이면 수분 응축으로 비저항이 낮아지고, 약 250℃ 이상이면 분진 입자의 전기 전도도가 증가하는 것으로 알려져 있다. 두 구간 모두 비저항을 적정 범위 밖으로 밀어내므로 온도 조건은 설계 단계에서 먼저 확인되어야 하는 값이다.

처리가스 유속은 입자가 집진 공간에 머무는 시간을 결정한다. 유속이 지나치게 빠르면 입자가 집진극에 도달하기 전에 빠져나가고, 지나치게 느리면 설비 규모가 커진다. 함진농도가 높으면 코로나 전류가 감소하므로 일정한 전류를 유지하려면 인가 전압을 높여야 한다. 입자경이 작으면 하전량과 이동속도가 모두 작아져 집진효율이 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

화력발전소는 석탄을 연소하면서 많은 비산재를 배출하며, 이를 대기로 내보내지 않도록 처리하는 설비가 필요해졌다. 배기가스 속 회 입자를 집진하는 장치 중 전기집진기는 집진효율이 높고 대용량 가스를 처리할 수 있어 발전소에서 널리 사용되는 방식이다. 고온의 배기가스를 처리할 수 있다는 점도 석탄 화력의 운전 조건에 맞는다.