전기집진장치

왜 배우는가: 전기집진장치는 발전소 보일러와 제철·시멘트 공정에서 미세먼지를 줄이는 대표 설비다. 고전압을 쓰는 장치라 원리와 함께 안전 시설기준을 묻는 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복된다.

출제 이력: 제132회 2교시 5번, 제128회 4교시 5번, 제121회 1교시 4번, 제112회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기집진장치는 직류 고전압으로 코로나 방전을 일으켜 함진가스 속 입자를 대전시키고, 대전된 입자를 쿨롱 힘으로 집진극에 포집하는 장치이다.

• 코로나 방전: 방전극 주위의 불평등 전계에서 기체가 부분적으로 이온화되는 현상
• 입자 대전: 이온이 입자에 붙어 입자가 전하를 띠게 되는 현상
• 쿨롱 힘: 대전된 입자가 전계 방향으로 받는 힘
• 방전극·집진극: 고전압이 걸리는 전극과 대전 입자를 붙잡는 접지 전극
• 추타 장치: 집진극에 쌓인 먼지를 털어내는 장치
• 겉보기 저항률: 먼지층의 전기저항으로 집진 성능을 좌우하는 값
• 집진효율: 입구 분진량과 출구 분진량의 차이를 입구 분진량으로 나눈 비율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 배기가스 속 먼지에 전기를 붙인 뒤 반대 전하를 띤 판에 달라붙게 하는 장치다. 영문으로는 Electrostatic Precipitator(ESP) 라고 부른다. 정식 정의는 특고압 직류전원을 사용해 불평등 전계를 만들고, 그 전계에서 코로나 방전을 이용해 가스 중 입자에 전하를 주어 집진극에 분리·포집하는 장치라는 것이다.

원리는 세 단계로 나뉜다. 방전극과 집진극 사이에 직류 고전압을 걸면 방전극 주변에서 코로나 방전이 일어나 기체 분자가 이온화된다. 생성된 이온이 가스 속 먼지에 달라붙어 입자 대전이 이루어진다. 대전된 입자는 쿨롱 힘을 받아 집진극 쪽으로 이동하여 전극 표면에 포집된다.

포집된 먼지는 주기적으로 추타 장치로 털어내 호퍼에 모은다. 먼지층이 두꺼워지면 전계가 약해지고 방전이 불안정해지므로 털어내는 주기가 성능에 직접 영향을 준다. 전극 표면 먼지층의 겉보기 저항률이 너무 높거나 너무 낮으면 집진 성능이 떨어진다. 저항률이 높으면 입자가 잘 대전되지 않고 전하를 집진극에 내놓지 못하며, 저항률이 너무 낮으면 집진극에 닿자마자 전하를 잃어 다시 날아간다. 그래서 보통 저항률 범위에서 가장 잘 작동한다.

집진효율은 Deutsch 식으로 근사한다.

$\eta = 1 - \exp\left(-\frac{w \cdot A}{Q}\right)$

여기서 \eta는 집진효율(무차원), w는 대전 입자의 이동속도(m/s), A는 집진극 총면적(㎡), Q는 처리 가스량(㎥/s)이다. 식에서 집진극 면적이 클수록, 가스량이 적을수록 효율이 올라간다. 이동속도 w가 커도 효율이 올라가므로, 입자 대전을 잘 시키는 것이 핵심이다.

건식 전기집진기는 보통 방전극을 음극(−), 집진극을 접지 쪽으로 두어 음극성 코로나를 쓴다. 음극성 코로나는 오존을 많이 만들기 때문에 오존 발생이 적은 설계와 함께 검토해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

석탄화력발전 보일러와 각종 산업 공정에서는 연소와 공정 중에 미세먼지가 배출된다. 대기 환경 기준이 강화되면서 배출 입자를 더 작은 크기까지 잡아내는 집진 설비가 필요해졌다. 중력 집진기는 취급 입자가 대략 50~100μm 이상인 큰 입자에 적합해 미세 입자 포집에는 한계가 있다. 관성력과 원심력 집진기도 미세 입자 제거 효율이 제한된다.

이 한계를 넘는 설비가 전기집진장치다. 전기집진장치는 집진효율 99% 이상을 얻을 수 있고, 약 0.1μm 정도의 극미립자도 포집할 수 있다. 분진뿐 아니라 미스트나 연무질도 처리할 수 있다. 가스가 통과하는 저항, 즉 압력손실이 작아 송풍기 동력비가 적게 들고 운전 유지비도 낮다. 이런 장점 때문에 대용량 배기가스 처리 설비로 널리 쓰인다.