전기집진기

왜 배우는가: 전기집진기는 기계식 집진장치로 잡기 어려운 미세입자를 처리하는 대표 장치이므로, 배경과 원리를 함께 알아야 답안을 쓸 수 있다. 집진 기전과 집진효율 식은 여러 회차에서 반복 출제되었으므로 정확한 정의와 원리를 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 2교시 5번, 제117회 2교시 5번, 제98회 1교시 8번, 제96회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기집진기는 코로나 방전으로 입자에 전하를 주고 전기력으로 집진극에 포집하는 집진장치이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 다음 키워드를 본문에 함께 넣는다.

• 코로나 방전: 방전극 주변에서 고전압에 의해 기체가 이온화되는 현상이며, 전기집진기가 이온을 만드는 출발점이다.
• 하전: 입자가 이온과 충돌하여 전하를 얻는 과정이며, 이후 전기력이 작용하는 조건이 된다.
• 쿨롱력: 전하를 띤 입자가 전계 방향으로 받는 힘이며, 입자를 집진극 쪽으로 이동시킨다.
• 집진극과 방전극: 집진극은 접지되어 입자를 포집하는 전극이고, 방전극은 고전압을 받아 코로나 방전을 일으키는 전극이다.
• 분진 비저항: 포집된 분진층이 전기 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값이며, 집진효율을 좌우하는 인자이다.
• 집진효율: 처리가스 중 포집된 입자의 비율이며, 집진극 면적과 처리가스량으로 결정된다.

기계식 집진장치는 입자의 크기와 관성·중력에 의존하지만, 전기집진기는 입자의 전기적 성질을 이용한다는 점이 다르다. 따라서 입경이 작은 미세입자를 포집하는 데 적합하다. 다만 분진의 비저항이 지나치게 높거나 낮으면 성능이 떨어지므로, 정의만 외우지 말고 비저항과 운전 조건을 함께 이해해야 한다.

2. 개념 풀이

전기집진기(ESP)는 함진가스를 방전극과 접지된 집진극 사이로 통과시키고, 두 전극 사이에 고압 직류 전압을 걸어 입자를 전기력으로 분리하는 장치이다. 정식 정의는 가스 흐름 안에 전계를 만들고, 그 안에서 입자를 하전시켜 이동·부착시키는 것이다. 입자를 가스에서 떼어내는 힘이 기계적 충돌이 아니라 전계에서 나오는 정전기력이라는 점이 핵심이다.

원리는 세 단계로 풀어 쓴다. 먼저 방전극에 음(-) 고전압을 걸면 방전극 주변에서 코로나 방전이 일어나 기체 분자가 이온화되고, 생성된 이온이 가스 흐름에 실려 이동한다. 다음으로 이 이온이 입자와 충돌·부착하여 입자가 하전된다. 마지막으로 하전된 입자는 전계 방향으로 쿨롱력을 받아 접지된 집진극을 향해 움직이고, 집진극 표면에 달라붙어 포집된다.

입자가 집진극으로 이동하는 속도를 이동속도 w라고 하면, 집진효율은 Deutsch 식으로 근사할 수 있다. 식으로 쓰면 아래와 같다.

$\eta = 1 - \exp\left(-\frac{wA}{Q}\right)$

여기서 η는 집진효율(무차원), w는 입자의 이동속도(m/s), A는 집진극 전체 면적(㎡), Q는 처리가스량(㎥/s)이다. 식은 이동속도와 집진극 면적이 클수록, 가스량이 작을수록 효율이 높아진다는 것을 보여준다. 입자가 집진 구간에 머무는 시간이 길어질수록 포집 기회가 많아지기 때문이다.

집진된 분진층의 비저항이 너무 높으면 분진층 표면에서 역방향 방전인 역코로나가 발생하여 집진 성능이 크게 떨어진다. 심하면 집진효율이 50% 아래로 떨어질 수 있다. 반대로 비저항이 너무 낮으면 입자가 전하를 빨리 잃어 집진극에서 다시 날아오르는 재비산이 생겨 효율이 떨어진다. 전기집진에 적정한 비저항 범위는 10^4~10^11Ω·cm로 알려져 있다.

포집된 분진은 집진극에 쌓이므로 주기적으로 두드려 떨어뜨리는데, 이를 탈진(Rapping)이라 한다. 떨어진 분진은 호퍼에 모아 배출한다. 탈진이 불충분하면 분진층이 두꺼워져 전계가 약해지고 효율이 떨어지므로 탈진 주기 관리가 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

연소로, 시멘트 소성로, 제철·제강로, 소각로 등 산업 공정은 많은 양의 분진을 배출한다. 이 분진은 입경이 작은 것이 많아 원심력·중력 집진장치만으로는 충분히 잡기 어렵다. 원심력 집진장치는 작은 입자에 작용하는 원심력이 약해 효율이 떨어지고, 중력 집진장치는 입자가 커야 침강하므로 미세입자 제거율이 낮다.

여과집진장치는 미세입자를 여재에 포집하여 효율이 높지만, 여재가 막히면 압력손실이 커져 송풍기 동력비가 증가한다. 세정식 집진장치는 액적으로 입자를 포집하지만, 폐수가 발생하여 별도의 수처리가 필요하다. 이러한 한계는 대용량 배출원일수록 운전비와 유지비 부담으로 이어진다.

전기집진기는 기계적 저항이 아니라 전기력으로 입자를 분리하므로 압력손실이 작다. 그 결과 송풍기 동력 부담이 적고, 고온 배기가스도 처리할 수 있으며, 장기간 안정적으로 운전할 수 있다. 이 때문에 발전소, 시멘트, 제철 같은 대용량 공정에서 채택되어 왔다. 또한 미세입자의 배출 기준이 강화되면서 기계식 장치로는 대응하기 어려운 미세입자를 제거할 수단으로서 전기집진기의 필요성이 커졌다.