전기집진기 원리 및 특성

1. 전기집진기의 원리

   전 기집진기는 직류고압전압에 의하여 방전극에 (-)전압을 인가시키면 코로나 방전이 발생하는데 이때 발생되는 음(-)이온은 가스중의 더스트 입자와 대전되어 전기력에 의하여 (+)전압이 인가되고 있는 집진극으로 이동되어 포집되는 정전기적인 원리를 이용한다.

그림 1) 전기집진기의 원리

가. 전리와 방전

   전기집진기의 정전기적 집진원리를 이용하기 위해서는 전리(Ionization)와 방전(discharge)의 기본개념을 이해하여야 한다.

  (1) 전리(Ionization)

   원 자핵으로부터 멀리있는 전자는 외부에서 열, 빛 등의 에너지를 받아 에너지가 증가(여기)하며, 곧 원자핵으로부터 탈출할 수 있다. 이렇게 전자가 원자핵으로부터 이탈된 것을 전리(이온화)라 하며 자유전자로서 전도전자의 역할을 하게 된다. 전도전자는 금속내부에서 자유롭게 원자사이를 이동한다.

  (2) 방전(Discharge)

   방 전이란 절연체가 강한 전기장하에서 절연성을 상실하고 전류가 그 속을 흐르는 현상을 말한다. 방전은 전리를 시키는 외부작용이 없어지면 전극사이의 전류가 “0”이 되는 비 지속방전과 그렇지 않은 지속방전으로 나눠지며, 지속방전은 부분파괴로 양 코로나와 음 코로나가 얻어지는 코로나방전과 스파크가 일어나는 불꽃방전과 그리고 전로파괴가 일어나는 글로우방전과 아크방전으로 구분된다.

나. 코로나 방전

   금속도체와는 달리 기체중에는 자유로이 움직일 수 있는 전자가 매우 작으므로 보통은 전기가 거의 통하지 않는 절연상태를 유지하고 있다.

그러나 집진극과 방전극에 고전압을 인가시키면 두 극 사이에서는 전위차가 발생하여 전리(Ioniztion)가 이루어지며, 이때 자유전자가 발생하여 미세한 전기가 흐르게 된다.

   계 속적인 전압인가로 전계가 점점 강해지면 절연상태가 파괴될 수 있는 절연파괴강도에 도달하게 되고 침상 등 뾰족한 형상을 통하여 전기장의 강한 일부만이 발광 및 소리를 내면 절연상태가 부분적으로 파괴되는데, 이를 코로나 방전이라 한다.

그림 2) 코로나 방전

  (1) 역전리(back Corona)

   역전리(back Corona) 현상이란 집진극 표면에 부착된 분진의 비저항이 10¹² Ω-cm이상으로 극도로 높은 경우, 먼지층에 흐르는 전류에 의해 집진극 전계가 강화되고 방전극 전계가 약화되어 분진층내에서 절연파괴점으로부터 분진의 얇은 틈을 통한 대량의 이온이 발생하여 음이온을 중화시켜 집진효율을 저하시키는 현상을 말한다.

  (2) 재비산(re-entrainment)

   재비산(re-entrainment)이란 이와는 반대로 분진의 비저항이 10⁴ Ω-cm 이하로 너무 낮으면 집진판에 전기적인 힘으로 포집되었더라도 쉽게 전자가 방전되어 입자와 집진판 사이에 결합력이 소실되어 분진입자가 극 공간으로 회귀하는 재 비산(re-entrainment) 현상이 발생하며, 이 또한 집진효율을 저하시킨다.

다. 석탄화력발전소의 전기집진기 집진특성

  (1) 석탄연소 분진의 집진특성

   석 탄연소 분진은 중유연소 분진과 달리 입구 분진량이 많고 분진 입자경이 크다. 또한 전기저항치가 높아서 역전리의 발생 가능성이 많으므로 실사용시 저품위탄과 고품위탄을 혼합하여 성분을 개질하는 것이 보편적이며, 이러한 방법으로도 개질하기 어려울 때는 SO₃, TEA등을 주입하여 사용하기도 한다.

<표 1)> 중유연소와 석탄연소의 집진특성 비교

항 목	단 위	중유연소	석탄 연소	비 고
입구분진농도	g/Sm3	0.1～0.5	10～20
전기저항치	Ω-cm	102～104	1010～1013
분진 평균입자경	㎛	0.1～5	10～30
미연 탄소함량	%wt	50～60	0.5～5
분진전기저항특성	-	재비산	역전리
가스개질방법	-	NH3 dosing	TEA, SO3 dosing

 

<표 2)> 석탄연소가스 성분별 집진효율 영향

연소가스 주요성분		전기저항치 변화	집진효율 영향
gas	온도	0-150℃ : 전기저항치 증가	100℃이하 혹은 300℃ 이상에서 효율 향상
		150-300℃ : 전기저항치 감소
	수분	전기저항치 감소	효율향상
	유황(SO3)	전기저항치 감소	효율향상
dust	SiO2, Al2O3	전기저항치 증가	효율저하
	Na2O	전기저항치 감소	효율향상
	알카리금속 (CaO, K2O)	전기저항치 증가	효율저하
	미연탄소	전기저항치 감소	이론적으로 효율 향상되나 재비산도 일어남

  (2) 탄성분별 집진효율 영향

   석탄연소시 집진효율에 영향을 미치는 가장 큰 인자는 분진의 전기저항치이다. 이 전기저항은 저항성이 높은 SiO₂나 Al₂O₃등이 석탄연소성분중 대부분을 차지함으로 인하여 기본적으로 정해지며, 기타 여러 가지 성분의 함량 비율에 의하여 효율이 조절된다.

   석탄화력발전소의 배가스 운전온도는 90-170℃이다. 분진의 전기저항치는 150 ℃ 에서 최대치를 보이므로 가급적 낮은 온도로 운전하는■것이 집진효율 향상에 도움이 된다. 이러한 측면에서 저온 EP의 사용이 시도되고 있다.

   가스중 수분은 SO₃와 함께 분진의 표면전도효과를 좌우하는 주요인자이며, 가스중 수분의 양이 많아질수록 전기저항치는 상당히 저하하게 된다.

   아울러 유황(S)이 산화하여 발생하는 SO₃는 저온영역에서 가스중 수분과 결합하여 그 양이 많을수록 표면전도를 증가시켜 전기저항치를 낮추는 역할을 하며, Na₂O는 분진중 미량이기는 하나 많을수록 체적전도 효과를 증가시켜 저항치를 낮추는 역할을 한다.

  (3) 결 론

   석탄연소시 발생되는 배기가스의 성상은 탄종별로 다양하며, 보일러의 형식 및 운전조건에 따라 달라지므로, 전기집진기의 집진효율은 여러 종류의 인자에 의해서 영향을 받고 있다.

   따라서 전기집진기의 최적설계와 운전을 위해서는 연소가스의 정확한 분석이 선행되어야 하며, 아울러 이에 따른 전기집진기의 입자이동속도, 유속, 하전량과 하전전압 등이 전기집진기 설계와 최적운전을 위하여 함께 검토되어야 한다.

2. 집진성능에 영향을 주는 인자  

가. 개 요

   석 탄화력 발전소에서 발생되는 회는 보일러 하부의 호퍼에서 처리하는 저회 (Bottom ash)와 절탄기 회호퍼(Economiser ash hopper), 공기예열기 회호퍼(Air Heater ash hopper)와 전기집진기 호퍼(Precipitator hoper)에서 처리되는 비회 (Fly ash)로 나뉘어 진다. 회처리설비는 저회계통, 비회계통, 회처리 재순환수계통, 미분기 이물질계통, 공기예열기 회계통 및 절탄기 회계통으로 분류되어 각각 주기적으로 회처리가 실시된다. 이와 같이 발전소에서 발생되는 회의 종류를 [그림 3]에 나타내었다.

[그림 3)] Ash collection power plant

나. 집진성능에 영향을 주는 인자

  (1) 회분의 전기저항

   전기집진기에서 정상적인 집진을 위해서는 분진입자의 전기저항이 10⁴~10¹⁰ Ω-cm 의 범위에 들어야 한다. 분진 입자의 전기저항이 10¹⁰ Ω-cm 이상의 전기저항이면 역방전 현상(Back corona)이 발생되며, 반대로 분진의 전기저항이 지나치게 낮으면 대전된 분진입자의 전하가 집진극으로 쉽게 방전되어 분진입자는 가스입자에 의해 재비산되었다가 재대전되어 집진극에 다시 부착되는 재비산 현상(Jumping)이 발생된다. 이는 분진입자의 전기저항이 약 10⁴ Ω-cm 이하에서 발생된다.

   석탄 회의 집진효율에 영향을 미치는 가장 큰 인자는 분진의 전기저항치로서 저항성이 높은 SiO₂나 Al₂O₃등이 회성분의 대부분을 차지함으로 인하여 그 값이 기본적으로 정해지며, 기타 여러 가지 성분의 함량에 의하여 그 크기가 결정된다. 일반적으로 회성분중의 Al₂O₃, SiO₂ CaO, MgO 등은 전기저항 값을 높이며 Na₂O, K₂O, Fe₂O₃, 미연탄소분 및 유황분, 수분은 전기저항을 낮춘다. Na₂O의 경우 함유량이 소량이어도 전기저항이 상당히 낮아지는 것으로 알려져 있다. 또한 분진의 전기 저항치를 낮추기 위하여 조질제 (NH₃, SO_3, TEA)를 사용하기도 한다.   

  

- A 범위 : 전기저항치 10⁴Ω-cm 이하

  ㆍ 쉽게 대전되어 집진극으로 유인되나 저항치가 낮기 때문에

     집진극에 도달하기 전에 전하를 잃게 되어 再비산

  ㆍ 비산된 Dust는 다시 대전, 집진극으로 유인되다가 다시 전하를

     방출

  ㆍ 이 과정을 되풀이하면서 Dust가 EP 출구쪽으로 빠져나가 집진율

     저하

- B 범위 : 전기저항치 10⁴~5*10¹⁰Ω-cm(안정적인 EP 운용 범위)

- C 범위 : 전기저항치 10¹¹~10¹²Ω-cm

  ㆍ 집진극에 모여진 Dust의 표면전위가 높아지기 때문에 집진작용에

     기여하는 전계 강도가 약해져 공간전하가 늘어남

  ㆍ Corona 방전전류는 감소하며 포집상태가 불완전하여 집진성능

     저하

  ㆍ 역전계 1단계로서 Spark 빈도가 심하고 안정된 하전 곤란

- D 범위 : 전기저항치 10¹²Ω-cm 이상

  ㆍ 역전계(Back corona) 발생

  ㆍ 전류는 안정하게 흐르나 Back corona 현상으로 발생된 + 이온은 방전극 주

     위의 - 이온과 대전 입자를 중화

  ㆍ 공간전하는 감소, Corona 전류는 급격히 증가

  ㆍ 이 결과 전하 강하가 크게 되고 전계 강도도 저하되어 집진율 저하

  (2) 배기가스중의 산노점(酸露點) 온도

   SO₃는 저온영역에서 가스중 수분과 결합하여 그 양이 많을수록 표면전도를 증가시켜 전기저항치를 낮추는 역할을 하므로 산노점온도는 전기집진기의 효율에 큰 영향을 미친다. 

   태안화력 5,6호기의 예로서, O₂ = 3.5 vol%, H₂O = 7.5 vol%, SOx = 300ppm 일때 배기가스의 산노점은 아래와 같이 계산된다. 아래식은 SOx의 측정치가 있어야만 계산이 가능하다.

V=0.4<(3.5*0.03)/100>=0.00042

T=20log0.00042+189=121 ℃

   ***의 경우 산노점 온도는 탄종 및 보일러 운전조건에 따라 다르겠으나 대략적으로 120℃의 근처에 있을 것으로 판단된다.

그림 4) Effect of SO3 and H2O levels on Sulfuric Acid Dew point temperature (EPRI)

  (3) 가스온도/가스중 수분량

   일반적으로 가스온도가 150~160℃정도에서 분진입자의 전기저항이 최고치에 도달하므로 이 보다 낮은 온도에서 운전되는 것이 유리하다. 또한 가스중 수분의 함량이 증가할수록 분진입자의 전기저항이 낮아져 집진효율이 증가한다.

   

[그림 5)] 회의 전기저항, 온도 수분의관계

  (4) 처리가스량

   처 리가스량이 증가하면 집진효율은 감소한다. 이는 전기집진기내 처리가스량이 증가하면 가스유속이 증가되고 가스유속이 어느 한도이상 증가되면 분진입자의 재비산으로 인하여 집진효율은 현저히 감소하게 된다. 또한 전기집진기내 가스유속의 분포가 균일하게 되지 않을 경우 효율이 감소하게 된다.

  (5) 분진의 입자직경

   분 진의 입자직경이 작을 수록 집진극으로 향하는 입자의 이동속도가 느려져 집진효율이 감소한다. 또한 집진극에서의 기계적인 부착력과 전기적인 부착력이 강해져서 분진이 쉽게 격리지 않으므로 추타를 하여도 분진이 그대로 부착되어 있어 집진효율이 저하한다.

  (6) 분진농도

   가스중의 분진농도가 크면 분진입자들의 비표면적이 크게 되고 분진의 대전 효과가 감소되어 집진효율이 저하되는 것으로 알려져 있다.

  (7) 전기집진기의 집진 효율

   전기집진기의 집진 효율(η)은 아래 Deutsch-Anderson의 식으로 나타낼 수 있다.

                                      (1)

여기서,  η : 집진효율 (%)

         A : 집진 전극의 유효 총면적 (m²)

         Q : 통과 처리 가스량 (m³/sec)

         V : 분진 입자의 이동속도 (m/sec)

   또한, 전기집진기의 집진극 사이에 분진 입자가 부착되면 분진층의 전기저항으로 인하여 방전극과 집진극상의 전계 상태에 영향을 주게 된다. 집진극에 부착된 분진층의 두께를 a (cm), 분진 입자의 전기저항을 R (Ω-cm), 집진극의 단위 면적당 방전전류를 i (A/cm²)라 하면, 분진층에서의 전압강하 ΔE (volt)는 다음과 같다.

        ΔE = aRi                                                      (2)

   그 러므로 전기집진기를 일정한 인가전압으로 운전하는 경우, 분진층의 전압강하가 크면 그 만큼의 유효전압(방전극과 집진극 사이의)이 작아져서 방전전류가 감소하고 집진효율이 떨어진다.  이상에서 보듯이 집진효율은 아래와 같은 경우에 높아짐을 알 수 있다.

   1) 입자경이 클수록 (입자의 이동속도가 빠르다.)

   2) 집진기의 집진 면적이 클수록

   3) 처리가스량이 작을수록

   4) 인가전압이 높을수록

   이와 같이 전기집진기의 집진효율은 회분의 전기저항치에 의하여 가장 큰 영향을 받으므로 탄종, 혹은 혼탄 사용시의 영향에 대한 적절한 평가가 필요하다.

3. 태안 #1-4 및 #5-6 전기집진기 비교

가. 5, 6호기 집진기 문제점

  ○ #5,6 EP의 집진면적이 #1~4(타 발전소 포함)보다 25% 부족

     - 인입 Dust농도 증가시 최대출력으로 운용하여도 대응 못함

     - 전 탄종에 대해 집진율 향상을 위한 하전량 등의 조정폭 작음

   ○ #5,6 EP 유속이 #1~4보다 빠르며 EP내 가스흐름이 편류상태임

     - Hopper Ash의 편중 포집현상 발생

   ○ 집진 양호탄종과 EP 집진 이론과 상이

   ○ EP 입구 가스온도가 높다.

     - 회분의 전기저항치가 최대인 150℃ 근처에서 운전된다.

     - 산노점(약 120℃)보다 높은 온도에서 운전되어 회분의 전기저항치가 높다

   ○ EP 하전불량이 발생한다.

     - EP 입구 분진중 2㎛이하의 미세분진이 많아 부착력이 강하다.

     - 집진극 분진 추타설비 용량이 충분치 못한 것으로 판단된다.

나. 집진성능 개선방안

   ○ 석탄회의 전기저항치를 낮추는 방안

     - 조질제(TEA, SO₃) 주입 방안

     - EP 입구 배가스 온도 강하 방안

       ․ 음향방출에 의한 보일러내 전열면 청소/음향방출에 의한 Eco 전열면 청소

       ․ Eco 전열면 증설에 의한 배가스 온도 강하

   ○ EP 하전불량을 완화하는 방안

     - 집진극 추타설비 보완

     - 전기집진기내 음향방출기 설치에 의한 분진 제거

     - 회분의 전기저항치가 낮아지면 이 문제도 함께 해결될 가능성

   ○ EP 입구 유량분포 균등화 방안

     - 덕트 출구 2개소에 아래 가이드 베인을 설치

     - 가이드 베인은 회전이 가능한 형태로 제작-설치하여 분진 상태에 따라 적         정한 각도로 조정할 수 있는 구조로 설치

   ○ 전기집진기의 추가 증설은 현 설비상태에서 효과가 충분치 않을 것으로 판단

다. 전기집진기 사양 비교

구 분	** #1 ― 4	** #5,6	** #3 ― 6
추타 방식 (Rapper)	Motor Driver Mechanical Hammer 64대/Unit	Electro-Magnetic Drop Hammer 452/Unit	Electro-Magnetic Drop Hammer 452/Unit
방전극 형상	Square Wire Type	Duratrode Type	Duratrode Type
집진판 면적(m²)	48,040	35,358	38,681
집진판 간격 (mm)	300	400	400
정류형 변압기 전압 및 전류	65kv 1,200mA	72kv 1,000mA(1,2열) 1,200mA(3,4,5열)	72kv 1,500mA
평균 Gas 유속 (m/sed,Max)	1.09	1.09	0.92
EP와 FlyAsh Silo간 이송거리(m)	120	120	110
입구분진 농도	17.4	17.4	17.4
출구분진 농도	100	100	100
집진효율	99.43	99.43	99.43
가스량/Unit Am³/min	45,930	46,420	44,317
설계가스 온도(℃)	145	160	135
제작사	두산 중공업	한국 코트렐	한국 코트렐

[출처] 전기집진기 원리 및 특성|작성자 똘똘이